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transistor di tipo  NPN transistor di tipo  PNP baseemettitorecollettore NP N PN P Transistor bipolare a giunzione  (bjt – bipolar junction transistor)

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Academic year: 2021

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Testo completo

(1)

Transistor bipolare a giunzione  (bjt – bipolar junction transistor)

N C

N P

E

B E

E

C

C B

B

I

E

I

C

I

B

P C

P N

E

B E

E

C

C B

B

I

E

I

C

I

B

transistor di tipo NPN transistor di tipo PNP base

emettitore collettore

Il transistor e' formato da due diodi contrapposti  con una regione in comune (base)

(2)

N P N B C E

Geometria del bjt

base emettitore

collettore

La regione di base, che separa emettitore e collettore, e' molto sottile (0.1 . . . 100 m)

wafer di silicio

(3)

Funzionamento del bjt – Equazioni di Ebers­Moll

I

E

N

V

EB

N P

+

I

C

+

C E

B V

CB

I

B

F

∙I

E

(1­

F

)∙I

E

e

­

E C

B

IE = −IES⋅eVBE/ VT−1  R ICS⋅eVBC/VT−1

IC = −ICS⋅eVBC/ VT−1  F IES⋅eVBE/VT−1

la giunzione emettitore base 

e' direttamente polarizzata la giunzione collettore base 

e' contropolarizzata

nelle condizioni operative normali  (regione  attiva)  le  correnti  dovute  alla  giunzione  contropolarizzata  sono trascurabili

effetto transistor

(4)

Caratteristiche del bjt nella regione attiva

IE = −IES⋅eVBE/ VT−1

IC = F IES⋅eVBE/ VT−1 = −F IE

I

C

I

B

I

E

V

CE

V

CB

I

C

I

B

+I

C

IB = −IEIC = IC

FIC = IC 1−F

F Equazioni di Ebers­Moll semplificate:

La corrente di base IB controlla una corrente  di collettore IC  che e'  F  volte piu' grande:

V

BE

IE = −F1 IB

IC = F

1−F IB = F IB

coefficienti di amplificazione di corrente:

      a base comune

      a emettitore comune

Polarizzazione  collettore­

base  nella  configurazione  base comune

Polarizzazione 

collettore­emettitore  nella  configurazione  emettitore comune

F=0.95 . . . 0.999

F=20 . . .1000

(5)

I

B

(A)

V

BE 

 (V) V

CE 

 (V)

I

C

(mA)

IB = 120 A

100 80 60 40 20 0

a) b)

regione attiva regione di 

saturazione

regione di  interdizione

Curve caratteristiche del bjt I

C

I

E

I

B

V

CE

I

B

I

(I

,V

CE

)

V

BE 

(I

,V

CE

)

la dipendenza di VBE  da  VCE  non  e'  apprezzabile  nel  grafico

confine tra regione attiva e saturazione:

VBE (IB,VCE) = VCE

(6)

Curve caratteristiche di un transistor MD8003

V

CE

I

C

50 A

40 A

30 A h

FE

 = 175

g

oe

 = 33 A/V

V

A

 = 210 V

(7)

­V

A

Effetto Early

Una dipendenza (praticamente lineare)  di  

I

C  da  

V

CE  compare a causa della  variazione della regione di transizione  della  giunzione  base­collettore  al  variare della polarizzazione (curve blu)

Le equazioni di Ebers­Moll  prevedono  

I

C  indipendente  da  

V

CE  (curve rosse)

Le  curve  caratteristiche  della  regione  attiva  (rette),  prolungate  a  sinistra,  si  incontrano  sull'asse  x  in  corrispondenza  della  tensione 

­VA, la tensione di Early

I

C

= 

F

I

B

1 V V

CEA

­V

A

I

C

(mA)

120 100 80 60 40 20 0

V

CE 

 (V)

IB (A)

(8)

i

b

I

B

I

B

+i

b

I

C 

+

 

i

c

V

S

R

L

e

c

b V

CE 

+

 

v

ce

V

CE

I

C IB=120  A

100 80 60 40 20 0

V

S

V

/ R

L

i

b

i

c

v

ce

Amplificatore con bjt

Q

Il  generatore  di  polarizzazione   

I

  stabilisce il punto di lavoro Q

A

i

 = i

c

 / i

b  

= coefficiente di amplificazione (guadagno) di corrente A

v

 = v

ce

 / v

be  

= coefficiente di amplificazione (guadagno) di tensione

v

be

+

Retta di Carico

Equazione della maglia di uscita:    I

C

 R

L

 + V

CE 

(I

,I

B

) = V

S

(9)

g

ie

g

oe

g

re 

v

2

g

fe 

v

1

b

e e

R

s

c

v

s

R

L

Modello lineare del bjt

Amplificatore per piccoli segnali

Le equazioni di Ebers­Moll suggeriscono di scegliere Icome variabile  dipendente e VCE indipendente per il circuito di uscita.

Per  il  circuito  di  ingresso  e'  equivalente  scegliere  come  variabile  indipendente IB (e utilizzare i parametri h) oppure VBE ( e utilizzare i  parametri g).

h

ie

h

oe

h

re 

v

2

h

fe 

i

1

b

e e

c G

s

i

s

R

L

Modelli lineari completi che utilizzano i  parametri g ed i parametri h.

Nel  modello  lineare  non  compaiono  le  tensioni  e  correnti  continue  corrispondenti  al  punto  di  lavoro  Q  (tensioni e correnti di polarizzazione) ed  i generatori relativi.

IC = F IES⋅eVBE/ VT−1

IB = IC

F

(10)

I valori dei parametri dei modelli lineari si ottengono dalle  equazioni  che  descrivono  il  funzionamento  fisico  del  dispositivo. Dalle equazioni di Ebers­Moll

si ricava:

Parametri g del modello lineare del bjt

IC = F IES⋅eVBE/ VT−1

IB = IC

F

gfe = ic

vbe = IC

VBE = F IES

VT eVBE/VT

IE

VT gie = ib

vbe = IB

VBE = IC

VBE

IB

IC = gfe

f goe = ic

vce = IC

VCE = 0 gr e = ib

vce = IB

VCE = 0

Nel  modello  di  Ebers­Moll  g

o

  e  g

r

  sono nulli.

Il parametro  g

fe

  dipende  solo dal punto di lavoro

Il parametro  g

 dipende solo  dal punto di lavoro e da  

f

F = IC

IB f = IC

IB

i

b

 = g

ie

 v

1

 + g

re

 v

2

i

c

 = g

fe

 v

1

 + g

oe

 v

2

(tutte le derivate sono calcolate considerando l'altra variabile indipendente costante).

(11)

Conduttanza di uscita g

oe

g

ie

g

fe 

v

be

b

e e

c

R

L

R

s

L'effetto  Early  introduce  una  correzione al modello di Ebers­Moll:

i

b

 = g

ie

 v

be

i

c

 = g

fe

 v

be

 + g

oe

 v

ce

   i

b

     i

c

 

v

be

v

ce

v

s

Av = vce

vbe = −icRL

vbe = −gfeRL⋅ 1 1RLgoe Ai = ic

ib = gfe

gie = f 1

1 RL goe

amplificazione di tensione

amplificazione di corrente

goe = ic

vce = IC

VCE = f IB

VA IC VA

g

oe

fattore  di  partizione  della  corrente di uscita tra RL e goe In corrente continua ed in bassa frequenza 

l'effetto di gre rimane trascurabile

(12)

Amplificazione di tensione e di corrente

g

ie

g

fe 

v

be

b

e e

c

R

L

R

s

Nel  modello  di  Ebers­Moll  il  funzionamento  del  transistor  e'  descritto  da  due  soli  parametri: 

conduttanza  di  ingresso   

g

ie    e  conduttanza di trasferimento diretto  (conduttanza  mutua) 

g

fe.  Gli  altri  due parametri ( 

g

oe 

g

re ) in prima  approssimazione  sono  zero  ed  i  relativi elementi non compaiono nel  circuito.  Se  si  fossero  utilizzati  i  parametri  r  oppure  m  avremmo  avuto nel circuito di uscita . . . . 

i

b

 = g

ie

 v

be

i

c

 = g

fe

 v

be

   i

b

     i

c

 

v

be

v

ce 

v

s

Av = vce

vbe = −icRL

vbe = −g feRL Ai = ic

ib = gfe

gie = f A 'v = vce

vs = −gfe RL ⋅ 1 1Rsgie

amplificazione di tensione

amplificazione di corrente

amplificazione di tensione (tenendo  conto della resistenza del generatore)

fattore  di  partizione  della  tensione di ingresso tra Rs e gie

g

oe

g

re

v

ce

(13)

Parametri h del modello lineare del bjt

h

fe = ic

ib = IC

IB = f hie = vbe

ib = VBE

IB = VBE

IC

IC

IB = f gf hoe = ic

vce = IC

VCE = goe hr = vbe

vce = V BE

VCE = 0

h

ie

h

fe 

i

b

b

e e

c

R

L

G

s

   i

b

     i

c

 

v

be

v

ce

i

s

h

oe

A

i

= i

c

i

b

= h

fe

1 1R

L

h

oe

A

v

= v

ce

v

be

= − i

c

R

L

v

be

= − h

fe

h

ie

R

L

1R

L

h

oe

gie = 1

hie gfe =

hfe hie

(14)

RC

Uno stadio amplificatore con transistor bjt

RB

C1

C2

C3

vi

vo Resistenza  di  polarizzazione 

della base. Stabilisce il punto  di lavoro:

RB = (VS – VBE ) / IB

VS

Resistenza di collettore. Per avere il  punto  di  lavoro  circa  a  meta'  della  regione attiva:

RC =  ½ VS / I

V ≃ 0.6 V Condensatore di  disaccoppiamento 

di  ingresso.  Isola  il  generatore  del  segnale  dalla  tensione  continua  di  polarizzazione.

Condensatore  di  disaccoppiamento  di  uscita.  Isola  il  carico  dalla  tensione continua di polarizzazione  di collettore.

Tensione di alimentazione del  circuito amplificatore.

Condensatore di filtro della  tensione di alimentazione.

(15)

Limiti di banda passante – Frequenza di taglio inferiore

RC RB

C1 C2

vo

g

ie

g

fe 

v

be

b

e

   i

b

 

v

be

   i

c

 

g

oe

v

ce

R

s

v

s

Circuito passa­alto di ingresso

H = Hj /0 1 j /0

log /0

dB Circuito passa­alto

di uscita:

RL

Il circuito non e' utilizzabile per amplificare segnali in corrente continua

0

(16)

200 250 300 0

5 10 15

F  (h FE )

Dispersione dei valori di 

F

 ( o h

FE 

Valori di 

F

 misurati su un campione di 50 transistor modello 2N2222A.

Valori di specifica: 

F

 > 50.

(17)

Precarieta' del punto di lavoro

VS = 12 V     RC = 10 k VQ = 6 V      IQ = 0.6 mA       F = 120       VA = 100      IB = 4.7 A

RB = (VS – VBE ) / IB ≃  (12 V – 0.6 V) / 4.7 A        = 2.42 M≃ 2.2 M

Il  valore  di    F    e'  quello  nominale.  Per  lo  stesso  modello di transistor  F  puo' variare di una fattore 2  in piu' o in meno:   F  =  60 . . . 240.

La corrente  IC   puo' essere compresa tra i valori:

4.7 A ∙ [ 60 . . . 240 ] = 0.3 . . . 1.2 mA  

IB=10  A

8 6 4

2 0

V

S

V

/ R

C

Q

I

C

(mA)

V

CE

 (V)

RC RB

C1

C2

C3

vi

vo

VS

V ≃ 0.6 V

Intervallo  in  cui  si  puo'  venire  a  trovare il punto di lavoro

(18)

RC

Stadio amplificatore a 4 resistenze con transistor bjt  

RB1

C1

C2

C3

vi

vo

VS

Il condensatore di emettitore CE  collega  l'emettitore  a  massa  per  quanto riguarda il segnale.

Il partitore che alimenta la base e la  resistenza  di  emettitore  rendono  il  punto di lavoro piu' stabile.

RB2 RE CE

(19)

RC RB1

C1

C2

C3

vi

vo

VS

RB2 RE CE

RC

RE

VB = VS RB2 RB1RB2

RB= RB1RB2 RB1RB2

IB

I

E

 = ­ I

B

 (

F

 + 1) I

C

 = I

B

 

F

Circuito di polarizzazione a 4 resistenze

VB =IB RBVBERE IBF1

IB = V BV BE

REF1RB

IE = IBF1 = VBVBE

REF1RB  f1 = VBVBE

RERB/ f1

(20)

e

c

R

L

i

e

h

ie

h

fe 

i

b

v

g

V

G

R

L

b i

b

V

S

v

g

R

G

i

c

v

B

v

E

v

e

v

b

R

G

Circuito emitter follower (inseguitore di emettitore) Circuito a collettore comune

V

G

 = I

B

 R

G

 + V

BE

 + I

B

 (h

FE

 + 1) R

L

R

i

 = v

/ i

b

 = h

ie

 + (h

fe

 + 1) R

L

R

o

 = R

L

  //  (h

ie

 + R

G

) / (h

fe

 + 1) 

v

g

 = i

b

 R

G

 + i

h

ie

 + i

b

 (h

fe

 + 1) R

L

v

b

 = i

h

ie

 + i

b

 (h

fe

 + 1) R

L

v

e

 = i

b

 (h

fe

 + 1) R

L

Av = ve

vb = h fe1 RL

hieh fe1 RL ≈ 1 Ai = hfe1

I

B

I

E

 =­I

B

 (h

FE

 + 1)

(21)

R

C

v

g

V

G

V

S

R

E

v

e

v

c

R

C

v

g

R

E

h

ie

c

e

b h

fe 

i

b

 

i

b

 

i

c

v

c

Circuito con reazione di emettitore

v

e

v

g

 = i

b

 R

G

 + i

h

ie

 + i

b

 (h

fe

 + 1) R

E

v

b

 = i

h

ie

 + i

b

 (h

fe

 + 1) R

E

v

e

 = i

b

 (h

fe

 + 1) R

E

v

c

 = ­ i

b

 h

fe

 R

C

A

v

= v

c

v

b

= − h

fe

R

C

h

ie

 h

fe

1 R

E

≈ − R

C

R

E

I

E

 =­I

B

 (h

FE

 + 1)

(22)

R

C2

v

1

V

S

R

E

V

S

R

C1

v

2

b

1

b

2

c

2

c

1

+V

S

­V

S

Amplificatore differenziale

 A volte due fonti di errore sono meglio di una

 I due transistor sono il piu' possibile eguali  Le resistenze RC1 ed RC2 son il piu' possibile  eguali

Le tensioni di ingresso  v1 e  v2  possono variare su un  intervallo ampio di valori, che comprende lo zero.

Non c'e'  bisogno di condensatore di disaccoppiamento  di ingresso.

L'amplificatore differenziale puo' amplificare segnali  in corrente continua.

(23)

vc = v1v2 2

vd = v1v2 2

v1= vcvd

v2 = vcvd v1

v1

v2 v2

Scomposizione di segnali in modo comune e modo differenziale

Due segnali indipendenti v

1

 e v

2

 possono sempre essere ottenuti come somma 

di un segnale di modo comune v

c

 ed un segnale di modo differenziale v

d:

(24)

R

C

v

c

2R

E

R

C

v

c

b

1

c

1

c

2

b

2

+V

S

­V

S

0

2R

E

i = 0

R

C

v

d

R

E

R

C

v

d

b

1

c

1

c

2

b

2

+V

S

­V

S

0

i = 0 e

2

e

1

e

1

e

2

Risposta dell'amplificatore differenziale ad un segnale di  modo comune e ad un segnale di modo differenziale

modo comune modo differenziale

Ac = vc

vb = − hfeRC

hiehfe1 2 RE ≈ − RC

2 RE Ad =

vc

vb = − hfe

hie RC 1RChoe

(25)

R

C

R

E

R

C

v

d

b

1

c

1

c

2

b

2

i = 0 e

2

e

1

v

d

g

ie

g

fe

v

be1

g

oe

g

ie

g

fe

v

be1

g

oe

Modello lineare dell'amplificatore differenziale

Amplificazione in modo differenziale

(26)

C

1

R

E

10 k

b

1

c

1

c

2

b

2

 15 V

e

2

e

1

in

+

R

C 1

10 k

R

C 2

10 k

C

2

in

 ­

 15 V  0

Esempio di amplificatore differenziale

0 V 0 V

­ 0.6 V

1.44 mA

0.72 mA

7.8 V 7.8 V

Ad = − vc

vb = −hfe

hieRC

1RChoegfeRC ≈ 250 Ac = − vc

vb = hfeRC

hiehfe1 2 RERC

2 RE =0.5 CMRR = Ad

Ac gfe = VeV­

2 RE ⋅ 1

VT

(27)

R

M

I

B

 = (V

S

 – V

BE

) / R

M

  I = I

B

 

F

I

C

 + 2 I

B

V

S

V

S

V

BE

V

BE

a) b)

I

B

 

I

C

 + 2 I

B

 = (V

S

 – V

BE

) / R

M

  R

M

Current mirror

 I

C

V

CE

(28)

Current mirror con coppia monolitica di CA 3046

dV

CE

/dI

C

    resistenza dinamica    76 k

      V

CE

 = 15 V

       I

C

 = 1.5 mA

V

CE

/I

C

        resistenza statica         10 k 

(29)

C

1

R

3

22 k

 15 V

in

+

R

 1

10 k

R

 2

10 k

C

2

in

 ­

 15 V  0 T

1

T

2

T

4

T

5

I

1.33 mA

I

E ≃

1.49 mA V

C1     

V

C2 

Amplificatore differenziale con current mirror Amplificatore differenziale con current mirror

I

M

 = (30V ­ 0.65V) / 22 k = 1.33 mA

I

E

 =  I

M

 ∙ 

/ (

F

 + 2) ∙ (1 + 14 V / V

A

)  =  1.49 mA g

fe

 = 0.74 mA / V

T

 = 28 mA/V

A

d

 = g

fe

 ∙ R

L

 = 280   →    A

+

 = ­A

­

 = 140

F

  = 110

g

ie

 = g

fe

 /  

f

  = 0.25 mA / V  

g

oe

 =  I

B

 ∙  

f

  /  V

A  

= 6.6 A / V

1/g

oe

 = 160  k 

(30)

C

1

R

M

22 k

 15 V

in

+

R

 1

10 k

R

 2

10 k

C

2

in

 ­

 15 V  0

T

1

T

2

T

3

T

4

I

1.33 mA

I

E ≃

1.40 mA

V

 8.0 V

R

E

4.7 k

T

5

D

Z   

(7.3 V)

 

0 V

out

Amplificatore  differenziale con stadio di uscita emitter follower

 

7.3 V

I

E 5

3.2 mA

Zo = R2hie5

hfe1 = 10 k 1.7 k 

110 ≃ 110 

(31)

+V

S

­V

S

T

1

V

pol

v

g

R

L

R

E

v

E

I

1

i

o

+V

S

­V

S

T

1

v

g

R

L

i

o

T

2

v

E

emitter follower asimmetrico ed a simmetria complementare

(32)

+VS

­VS T1

vg R

io T2 vE R1

R2 D2 D1

V vg

vE

T (ms) IE1

IE2 mA

emitter follower a simmetria complementare

T (ms) IE1

IE2 mA

+VS

­VS T1

vg

io T2 vE

T (ms) T (ms)

V vE vg

R

RL = 100 

(33)

R

3

22 k

 15 V

in

+

in

 ­

 15 V  0

T

1

T

2

T

4

T

5

VC2 8.0 V

R

4

4.7  k

T

3

D

Z

6.2 V

out R

1

10 k

R

2

10 k

D

1

D

2

T

6

T

7

fig:amp_7_ca3046

C

1

10 F

C

2

10 F +

+

R

7

4.7 k

R

6

R

5

56 

56 

R

8

10 

R

9

10 

 0 V

­

0.65 V

+

0.65 V I

1.33 mA 11

10 9

7 6

13 3

4

2 1 5

IE 1.40 mA

8

14 12

Amplificatore  differenziale con stadio di uscita

emitter follower a simmetria complementare 

(34)

CA3046

T

1

 . . . T

5

2n2905

2n2219 2n2222

      T1 . . . T5      T. . .T7 hfe       100       50 . . . 300

fT       350      350      Mhz Ccb      0.45       8       pF VA       100      100       V

in

out

±15 V

(35)

alimentazione

out +15 V

­15 V 0 V

0 V

0 V in ­ in +

c

1

c

2

b

6

b

7

0 V

+ +

­

­

+ xyz

+

condensatori  elettrolitici

chiave

Amplificatore con chip CA3046

(36)

Circuito stampato visto dal lato componenti

Attenzione alla  polarita' dei diodi alimentazione

uscita

­15 0 +15 ­ 0 +

c

1

c

2

b

6

b

7

+

­

+ xyz

+

condensatori  elettrolitici

ingressi

2n2905 2n2219

diodo  zener

2 x  1n4148

­ +

fig:pcb_7_ca3046

(37)

Codice dei colori per i valori dei componenti elettronici

Valori standard della serie E12

1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2

0 nero 

1 marrone 

2 rosso 

3 arancio 

4 giallo 

5 verde  

6 blu 

7 viola 

8 grigio 

9 bianco 

                   

prima cifra 4

seconda cifra

7 moltiplicatore 103

tolleranza 2 % (oro = 5%)

 = 47 k

fig:codice_colori

(38)

Misura di guadagno e banda passante

+

Misura del guadagno di  modo comune

+15 V

−15 V

V

c

V

o

V

o

 / V

c

 =  A

c

(39)

Misura di guadagno e banda passante

+

Misura del guadagno di  modo differenziale

+15 V

−15 V

2 V

d

V

+

V

V

o

V

o

 / V

+

 =  V

o

 / 2 V

d

  =  A

d

 / 2

(40)

Amplificatore  differenziale con stadio di uscita

emitter follower a simmetria complementare 

(41)

Amplificatore  differenziale con stadio di uscita

emitter follower a simmetria complementare 

(42)

T

1

 . . . T

4

2n2905

2n2219 2n2222

      T1 . . . T4      T. . .T7

hfe       100       50 . . . 300

fT       350      350      Mhz Ccb      4.5       8       pF VA       100      100       V

in

out

±15 V

(43)

alimentazione

out

+15 V

­15 V 0 V

0 V

0 V in + in ­

c

1

c

2

b

6

b

7

0 V

+ +

­

­

+ xyz

+

condensatori  elettrolitici

chiave

Amplificatore con chip NTE2321

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