Amplificatore a BJT in configurazione CE e CC Traccia per lo svolgimento dell’esercitazione del 27 maggio 2008 1 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 2 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 3 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 5 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 6 3 Verifica della polarizzazione con PSpice Dalla simulazione il punto di lavoro risulta dunque: Ic=1.074 mA, VCE= 5,87 V 7 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 8 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 9 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 10 5 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? 11 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 12 6 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 13 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 14 7 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. 15 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 16 8 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 17 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 18 9 Accorgimenti operativi • Per lo svolgimento dell’esercitazione: - Fare attenzione all’impiego di condensatori elettrolitici, dei quali è necessario rispettare la polarità! - + 19 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