Il transistor Mosfet è un altro tipo di “device” a semiconduttore attualmente molto usato soprattutto nei circuiti logici dei calcolatori, memorie, CPU ecc.
A differenza del transistor BJT, che richiede una corrente di base come comando, il Mosfet è comandato da una tensione.
La struttura di un transistor MosFet a canale n ad arricchimento è disegnata in fig. 9 S G D
isolante
n- n p
Fig. 9 Struttura di un MosFet
Gli elettrodi drain e source sono collegati a pozzetti di semiconduttore fortemente drogati con materiale pentavalente (n), il substrato è drogato debolmente p, quindi applicando una tensione positiva fra drain e source non si ha passaggio di corrente.
Applicando una tensione positiva fra gate e source si inducono delle cariche negative nel substrato al di sotto dell’isolante, come in un comune condensatore (si addensano
può avere passaggio di corrente fra drain e source dovuto ad elettroni.
Da notare che è sufficiente una tensione applicata all’ elettrodo di gate per provocare una corrente fra drain e source.
Il simbolo del del Mosfet è rappresentato in figura 10 (si usano in alternativa anche altre rappresentazioni):
transistor BJT npn MosFet canale n MosFet canale p Fig. 10 Simboli usati per rappresentare i transistor BJT e MosFet
Il gate G è l'elettrodo di comando. Applicando una tensione positiva (per il tipo a canale n ad arricchimento, come quelli disponibili in laboratorio) si abilita un passaggio di corrente fra D (Drain) e S (Source) se VDS è positiva.
Il MosFet a canale n richiede una tensione positiva sul Drain rispetto al Source mentre il canale p richiede una tensione negativa.
Sono disponibili 4 tipi di MosFet:
canale p ad arricchimento canale p a svuotamento canale n ad arricchimento canale n a svuotamento
ma l'approfondimento di questi "device" esula dal contesto di laboratorio IV e verrà ripreso nei corsi di Elettronica.
Una famiglia di caratteristiche di uscita di un Mosfet a canale n ad arricchimento è rappresentata in fig. 10.
ID mA
10 3,5VGS
E
D D
S S
G C
G B
3,4=VGS
6
4 3,3=VGS
3,2=VGS
2 3,1=VGS
3=VGS
2 4 6 8 10 VDS
Fig. 10 Caratteristica ID = f(VDS) per VGS = costante
In fig. 11 è presentato lo schema elettrico da realizzare ed i quattro collegamenti necessari per il funzionamento dell’ interfaccia ed il software relativo. Anche in questo caso la resistenza R2 è necessaria perché l’interfaccia è in grado di leggere solo tensioni e non correnti.E’ inutile la resistenza R1,infatti, come detto precedentemente, nel GATE non circola corrente.
Fig. 11 Schema da realizzare per ricavare le caratteristiche di un MosFet Analizzando i dati ricavati, si può costruite una curva Id = f(VGS) per VDS = cost. e Verificare se rappresenta una parabola.
Nell' appendice sono rappresentati i pannelli di controllo che compaiono sul monitor del calcolatore con valori di “default”. E’ compito dello studente cambiarle per ottenere il miglior risultato.
MOSFET N
VGS
R1 10k
R2 1k
VGG
. .
G ID
S D
VDS VDD
Il più semplice amplificatore ad un transistor ad emettitore comune è presentato in fig. 1
Fig. 1 Amplificatore ad un transistor ad emettitore comune
Una tensione positiva applicata all’ingresso genera una corrente Ib.
Sul collettore passa una corrente Ic = Ibββββf (avendo definito βf il rapporto fra la corrente di collettore e quella di base).
La tensione di collettore Vc che è chiamata anche Vout diventa:
Vout = Vcc – Vr = Vcc – IcRc = Vcc - IbββββFRc
Una tensione negativa applicata all’ingresso non provoca nessuna corrente dentro la base (giunzione polarizzata inversamente) quindi Ic = 0 e Vout = Vcc.
Per amplificare sia la parte positiva che negativa di una tensione sinusoidale è necessario sovrapporre una componente continua in modo che il transistor sia sempre in conduzione.
Vin
Vbb
t
Vcc Vout
Fig.2 Forme d’onda della tensione di ingresso Vin e tensione di uscita Vout
.
12V Vcc Ib
Vin
Vr
.
TIP
.
Ic
Ri
4.7k Vou
.
Rc 46
La fig.2 è rappresenta una tensione Vin composta da una tensione continua Vbb sommata ad una tensione sinusoidale. Nella parte in giallo si può notare che la tensione diventa negativa e la corrente Ib diventa zero, il transistor non può condurre e la tensione Vout è uguale a Vcc; il transistor si dice interdetto.
Nelle zona verde, la tensione Vin è molto elevata, passa molta corrente dentro la base, quindi molta corrente sul collettore, e la tensione Vout = Vcc – IcRc, diventa piccola, ma non può diventare minore di zero, perché l’alimentatore non fornisce tensioni negative; il transistor si dice saturo.
Gli stati di funzionamento non lineare: transistor saturo ed interdetto sono usati nei circuiti logici (circuiti dei calcolatori) per ottenere i livelli logici 0 oppure 1.
Per amplificare una sinusoide senza deformarla, si deve mandare all’ingresso dell’amplificatore una tensione vi composta anche da una parte continua:
vi = Vbb + Vssenωωt ωω con Vbb > Vs
usando il modello del transistor, come illustrato nell’esp. 7 con Rb = 0 e Vσσσσ al posto di Vγγγγ si ottiene:
che a sua volta moltiplicata per ββββf fornisce la corrente di collettore.
La tensione Vce = Vout diventa:
La tensione, che rappresenta il nostro segnale, Vssenωωt risulta essere amplificata di unaωω quantità Rcββββf/Ri. Se Rc ed Ri fossero circa uguali l’ amplificazione sarebbe circa βf
Non volendo usare il modello sviluppato nell’esperienza n. 7, si può seguire la via grafica per visualizzare il funzionamento dell’amplificatore ed anche per ricavare un altro parametro importante del transistor:
Questa quantità è utile se i segnali da amplificare sono piccoli, allora nel modello sviluppato si può sostituire a βf l’amplificazione ββββ0 che risulta essere più realistica.
La fig.3 rappresenta le caratteristiche Ic =f( Vce) ricavate nell’esp. 7 pert il transistor TIP 31.La retta che unisce i punti Vcc ed Icc è chiamata retta di carico e si ricava scrivendo l’equazione della maglia di collettore:
Vcc = Vce + RcIc 1)
ed il transistor in cortocircuito. Se il transistor conduce deve essere soddisfatta la 1) quindi il punto di funzionamento del transistor deve stare sulla retta di carico.
Icc mA 250
Ic 600µA Ib
200
500µA
150 400µA Issenωt (segnale)
t
300µA 100
200 µA
Ib costante
50 100µA
2 4 6 8 10 12 V Vce
Vce costante Vs
segnale amplificato
t
Fig. 3 Costruzione grafica dell’amplificazione
In fig. 3 è presentato il meccanismo di amplificazione dell’amplificatore di fig. 1:
Il segnale di corrente con sovrapposta una corrente continua viene mandato dentro alla base del transistor, si genera una corrente di collettore che diventa una tensione ai capi della resistenza e Vce risulta quindi sfasata di 180° rispetto alla corrente di base.
Modo di procedere
Dopo aver montato il circuito sull’apposita basetta, collegare all’ingresso
continua. Per questo scopo si deve usare la manopola di “off-set” del generatore di funzioni. La tensione continua deve essere tale che generarando nella base del transistor una corrente Ib costante, si abbia Vce = 6V, letto sull’oscilloscopio come da fig. 3.
Questo è il punto di funzionamento del transistor.
- Sovrapporre a questa tensione un’onda quadra molto piccola (ciò equivale a dare degli incrementi ad Ib) e ricavare con misure eseguite con l’oscilloscopio l’incremento Ic:
dal rapporto fra queste due quantità si ottiene ββββ0
Osservare che aumentando la frequenza dell’ onda quadra si ha una deformazione.
- Applicare un segnale sinusoidale e dal rapporto fra Vin e Vs letti sull’oscilloscopio calcolare l’amplificazione in tensione del segnale:
Vin AV ==== Vs
e verificare se l’ amplificazione ottenuta è compatibile con:
f
i C
V R
A ==== R ββββ
Cambiare la frequenza di pilotaggio e graficare l’amplificazione in funzione della frequenza, osservando che l’amplificatore si comporta come un filtro RC passa basso.
Calcolare la frequenza di taglio, cioè quando l’amplificazione diminuisce di 0.707.
Questa diminuizione dell’ amplificazione è dovuta alle capacità parassite del transistor ed loro effetti saranno valutati nel corso di Elettronica II.
Osservare l’aumento della distorsione della tensione sinusoidale aumentando la tensione del segnale di ingresso fino a raggiungere la situazione della fig. 2, ed eventualmente usando l’oscilloscopio digitale, che può eseguire la “fast fourier tranformer” osservare la creazione delle armoniche che denotano la distorsione del segnale amplificato.
- Collegare in serie alla resistenza Rc un altoparlante e, mandando segnali, di frequenza di circa 1kHz, sentire l’onda sonora che si genera. Per divertimento si può aumentare la frequenza fino alla frequenza di taglio dell’ orecchio umano.
transistor in saturazione ed interdizione, osservare che la lampadina si accende e si spegne (ovviamente se le frequenze di pilotaggio del transistor sono inferiori a 10 Hz).
Per chi avesse ricavato le caratteristiche del transistor con il sistema di acquisizione automatico, si possono usare le caratteristiche presentate nella figura 3 che rappresenta la famiglia di curve media per il transistor TIP 31 a disposizione in laboratorio.
.
NB. Lo studente deve ricordare che le resistenze sono identificate almeno da 2 parametri:
- resistività che è misurata in ohm
- potenza dissipabile dalla resistenza misurata in Watt
Acquisizione dati a LABORATORIO - 4
(by Faso Diego)
Salve, sono il manuale che vi deve aiutare a risparmiare un po’ di tempo nell’acquisizione dei dati…userete Labview!…Cos’e’?…E’ un software della National Instruments usato per pilotare dei dispositivi elettronici o meccanici da un computer mediante una scheda di interfaccia.
Un programma generato con Labview si chiama VI (Virtual Instrument) ed e’ composto da due parti:
Pannello : e’ l’interfaccia grafica utilizzata per gestire la comunicazione tra il computer e i dispositivi pilotati mentre il VI e’ in funzione.
Diagramma : e’ lo schema del programma.
In generale per eseguire un VI bisogna cliccare sul pulsante di “start” in alto a sinistra sul pannello.
Sul desktop di windows troverete i collegamenti ai VI per l’esperienza del polarimetro e per la misura delle caratteristiche del transistor…ma questi VI sono “protetti”, cioe’ non potete vedere il diagramma e non potete modificare la grafica del pannello. Se pero’ siete curiosi esiste anche una versione integrale del VI…
Buona acquisizione.
Il VI per questa esperienza si chiama “POLARIMETRO” e puo’ essere caricato direttamente dal desktop. Questo VI serve a pilotare una slitta circolare collegata meccanicamente al polarimetro.
Caricando questo VI compare il pannello in figura:
• Cliccare sul pulsante di “start”.
L’intestazione del pannello sparisce e si stabilisce la comunicazione con il motore della slitta.
• Attendere che l’indicatore in alto a sinistra sul pannello si accenda.
Quando l’indicatore passa da a il VI e’ pronto a pilotare la slitta
La slitta puo’ essere comandata da mouse o da tastiera (i tasti da usare sono indicati in viola su ogni pulsante).
Differenza tra l’uso del mouse e della tastiera
Queste differenze riguardano solo i tasti “AVANTI” e “INDIETRO”:
• Con il mouse: il pulsante rimane schiacciato finche’ si tiene premuto il tasto del mouse.
• Con la tastiera: la prima pressione del tasto aziona il pulsante; premendo nuovamente il tasto si disattiva il pulsante (non tenere il tasto premuto).
NB: Evitare che i due pulsanti siano attivi simultaneamente!
Funzionamento del VI
Ogni volta che il tasto “AVANTI” viene premuto la slitta ruota in senso orario di un angolo uguale al numero di gradi impostato in basso a destra nel pannello (il pulsante “INDIETRO” funziona in modo analogo):
Spostando la lancetta si puo’ impostare lo spostamento con una precisione di 5°, mentre il controllo per la regolazione fine ha una precisione di 0,01°.
Lo spostamento impostato viene indicato sotto i controlli (lo spostamento in passi indica il numero di passi del motore passo-passo).
Durante lo spostamento si accende il corrispondente led sul pannello:
La posizione corrente puo’ essere letta in tempo reale.
F E R M O
IN M O V IM E N T O
1) Cercare la posizione corrispondente alla condizione buio-luce e fissare lo zero con il pulsante “Definisci lo zero” : sara’ possibile ritornare a questa posizione in qualunque momento con il pulsante “Ritorna allo zero”. (lo zero va definito una volta sola!).
2) Dopo aver impostato uno spostamento abbastanza piccolo eseguire delle misure ripetute spostandosi con i tasti F1 e F2: Ogni volta che si aziona il pulsante “registra” la
posizione corrente viene acquisita (il numero di acquisizioni e’ indicato sul pannello).
3) Quando il numero di acquisizioni e’ sufficiente premere “STOP”
4) Il computer chiede se si vogliono salvare i dati acquisiti su file:
NB:
Se rispondete di no i dati possono essere ancora recuperati dall’indicatore “raccolta dati” (vanno pero’ copiati a mano!).
All’inizio dell’acquisizione successiva (pressione del tasto di “start” . tutti i dati di
“raccolta dati” vengono cancellati).
Se decidete di salvare i dati il file puo’ essere aperto con “EXCELL” per l’elaborazione.
5) Dopo aver inserito la provetta iniziare la nuova misura…NON RIDEFINIRE PIU’ LO ZERO.
Note:
Durante l’acquisizione il pannello non puo’ essere chiuso.
L’acquisizione puo’ essere fermata solo azionando il pulsante”STOP”.
Se si usa il mouse bisogna premere sul led dei pulsanti: se si preme sulla scritta il pulsante non viene azionato.
TRANSISTOR
Per questa esperienza bisogna usare 2 VI (uno per le caratteristiche di ingresso e uno per quelle di uscita). I collegamenti ai VI si trovano sul desktop.
Caratteristiche di uscita
Il panello comandi di questo VI e’ il seguente:
Descrizione del pannello
VBB_min: valore minimo per la tensione di base (V) VBB_max: valore massimo per la tensione di base (V) VBB-step: incremento della tensione di base (V)
VCC_min: valore minimo per la tensione di collettore (V) VCC_max: valore massimo per la tensione di collettore (V) VCC-step: incremento della tensione di collettore (V) Rb: resistenza di base
Rc: resistenza di collettore
VALORI DA IMPOSTARE PER L’ACQUISIZIONE
Metodo usato per l’acquisizione
Ogni curva caratteristica del transistor corrisponde ad un preciso valore della corrente di base “Ib”
(misurata in µA).
La scheda utilizzata come interfaccia non e’ in grado di misurare correnti, quindi “Ib” e’ calcolata misurando la caduta di tensione ai capi della resistenza di base “Rb” (il calcolo della corrente “Ic”
(in mA) avviene in modo analogo considerando la caduta di tensione ai capi della resistenza di collettore “Rc”).
A partire da “VBB_min” la tensione di base viene incrementata del valore impostato in “VBB-step”
finche’ non si raggiunge “VBB_max”. Per ogni valore di VBB si acquisisce una curva caratteristica in questo modo:
La tensione VCC varia da “VCC_min” a “VCC_max” con passo “VCC-step” e per ogni valore di VCC si misurano VCE e Ic.
Il numero di punti per curva e’ quindi dato da 1 VCCstep
VCC_min VCC_max
− +
mentre il numero di curve e’ 1
VBBstep
VBB_min VBB_max
− + Istruzioni
1. Premere il pulsante
2. Impostare i valori per “VBB”, “VCC”, “Rb” e “Rc”.
3. Azionare il pulsante
A questo punto l’acquisizione e’ iniziata e non puo’ essere fermata!
Alla fine dell’acquisizione si deve scegliere se salvare i dati su file…se si sceglie “no” i dati possono essere ancora recuperati dalla tabella “dati” (copiandoli a mano…).
All’inizio dell’acquisizione successiva (pressione del tasto di “start” , tutti i dati della tabella
“dati” vengono cancellati).
Se si usano i parametri impostati come “default” le caratteristiche ottenute sono le seguenti:
Note:
• Sul grafico non viene visualizzata la corrente di base corrispondente ad ogni curva, ma la si trova nella tabella “dati”.
• Se si sceglie di salvare i dati, il file puo’ essere aperto con “EXCELL”: per ogni valore di Ib (µA) ci sono due serie di dati (per righe), la prima corrispondente ai valori di “VCE” (V) e la seconda a quelli di “Ic” (mA).
Caratteristiche di ingresso
Il panello comandi di questo VI e’ il seguente:
Questo VI funziona come il precedente; non e’ necessario specificare il valore di Rc perche’ non interessa misurare la corrente Ic.
Usando i parametri di “default” si ottengono le caratteristiche seguenti: