BJT 12-13DB mac
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Inventori del Transistor
Il Transistor Bipolare a Giunzione (BJT) è stato inventato nei laboratori BELL nel 1948, da tre fisici:
• John Bardeen • Walter Brattain, • William Shockley.
• Nel 1956 vincono il premio Nobel per questa invenzione
IL TRANSISTOR
BASE (sottile)
COLLETTORE p
n
n
p n
p
EMETTITORE (fortemente drogato)
IC
IE
IB
IC
IB
IE IE +IB+IC=0 npn pnp
Funzionamento del transistor • Il transistor per funzionare deve essere polarizzato (ing. biased). Ovvero deve essere applicata una opportuna tensione ad ognuno dei terminali (Emettitore, Base e Collettore).
• Se la giunzione • EB è polarizzata direttamente e • BC è polarizzata inversamente
Allora: Il Transistor è detto polarizzato nella zona attiva e può funzionare da amplificatore
Modi di operazione del BJT (Bipolar Junction Transistor)
Modo Giunzione
Emettitore Base Giunzione
Collettore Base
Attiva-diretta Diretta Inversa
Spento Inversa Inversa
Saturazione Diretta Diretta
Attiva-inversa Inversa Diretta
IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE BASE COLLETTORE
p+ p n
La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base
IC IB IE
+ _ +
+ + _ _
_VEB VCB
VCB VEB
IC
IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor)
EMETTITORE BASE COLLETTORE
p+ p n
La giunzione BC è polarizzata inversamente le lacune diffondono verso il collettore
+ +
+ + _ _
_ _
IC IB IE
GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR
Nei transistor reali il 98% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore.
βF Guadagno di corrente di corto circuito a emettitore comune (detto anche hFE)
Polarizzazione del transistor configurazione CE – Retta di carico
B
E
C
IC RB VCC
La retta di carico
VCE
RCIC RC
VBE ~ 0.7V
VCC
VCC
Le “caratteristiche” del transistor (di uscita e a emettitore comune)
Effetto Early: curve a IB costante non parallele all’asse VCE
Transistor in saturazione Transistor in zona attiva
L’incrocio della retta di carico con la curva caratteristica con IB=cost. determina il punto di lavoro (la soluzione del circuito). Ad esempio con IB=80µA
Transistor spento
Amplificatore a transistor Configurazione CE – Progetto del circuito
B
E
C
IC RB
=10V
RC
VBE ~ 0.7V
TransistorinconfigurazioneaEmettitoreComuneCE(CommonEmitter)
VCC VCE =6V
RC=2.2kΩ =1.8mA
IB =1.0MΩ
Il modello dei Piccoli Segnali • In molti circuiti la tensione (o corrente) può
essere descritta come un segnale variabile nel tempo cui si somma una valore costante:
Segnale totale Valore costante
Piccolo Seganle
Il modello ibrido a Π
rπ gm vπ
ib b
e
c
• Modello semplificato del funzionamento del BJT • rπ è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1kΩ). • gm vπ è la corrente generata del generatore controllato di corrente • rο è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early
ro
Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE
rπ gm vπ vg ~ RC
iu
b
e e
c Rg
vi≡vb vu
ib
Parametri dell’ amplificatore a BJT a Emettitore Comune
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze)
rπ gm vπ vg ~ RC
iu
b
e e
c Rg
vi≡vb vu
ib
GENERATORE BJT – CONFIG. CE
C
• Passa alto formato da C (capacità di blocco) e rπ.. • Quanto vale la tensione (complessa) Vπ ?
Dove so.=1/ rπ C
Si deve considerare solo lo «stadio di ingresso»
Passa Alto
Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”
rπ
rb
ro gmvπ
e e
c b ib
vπ= rπ ib
rb: Resistenza di contatto di base ~ 100Ω rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1κΩ gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1
ro Resistenza effetto Early ~ 100κΩ rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1Ω rµ: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1ΜΩ Cπ Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cµ Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF
Cµ
Cπ
rµ rc
Teorema di Miller Se in un circuito i punti A e B sono connessi da un’impedenza Z e se è noto il rapporto µ=VB/VA allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa
Α Β
Ζ
Α Β
ΖΑ ΖΒ
rπ
rb
ro
gmvπ
e e
c b Cµ
Cπ
rc
Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF
Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione Cµ)
A B
vg ~ RC
Rg vb
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
Cµ(1-A) Cµ(1-A)/A
Cπ + Cµ (1-AV) A
vg
Passa Basso
A
~ vb
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
Esempio numerico ~
Cπ + Cµ (1-AV)
Frequenza di taglio del «passa basso» Circuito equivalente «visto» dalla base
Circuito equivalente «visto» dal generatore
Risposta in frequenza di un amplificatore CE
AV (dB)
3 dB
“Mezza banda”
Frequenza (Hz)
Frequenza di taglio alta dovuta alle capacità di diffusione e di transizione
Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso
Diagramma di Bode dell’amplificazione
BJT – Emettitore Comune con RE - Polarizzazione della base
B
E
C
IC
R2
vu
RC
IB
RE
VCC
R1
VBB
RE
IB
RB
IE
IC
RE – Come retroazione (“FEEDBACK”)
B
E
C
IC RC
IB
RE
VCC
VE
VC Caratteristica di ingresso
I B (µ
A)
VBE (V)
VB
IE
Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza
RC
RE
iu =ic
rπ gm vπ
ib b
e
c
vg ~
Rg RB
ig
vu
BJT in configurazione CC (Emitter Follower)
B
E
C
IC R1
vu
IB
VBE ~ 0.7V
RE
VCC
R2
Polarizzazione configurazione CC
~ vi
Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza BJT conf. CC
RE
rπ gm vπ
ib b
e
c
vg ~
Rg RB
ig
vu
L’uscita è sull’emettitore
vu
Disponendo diversamente i componenti ma senza modificare la topologia:
b e
c
gm vπ RE
ib
vg ~
Rg
rπ
vb
iu
Amplificatori in cascata (CE+CC)
B E
C R1
vu
RC
Ip
vg
RE
VCC
R2 ~ R’E R’2
R’1
CEE CC
Accoppiamento ac
Configurazione CB Nella configurazione a base comune (CB) la Base del transistor è in comune tra ingresso e uscita dell’amplificatore
-VEE
VCC
RE
RC
vi vu + +
- - B
E
C vu
b
e c
RC
ii
vg
~
Rg
rπ
vi
iu
- RE
+
vπ
gmvπ
Amplificatore con BJT in configurazione: Base Comune
Circuito equivalente per piccoli segnali
Caratteristiche approssimate per le configurazioni del BJT
CE CE +RE CC CB
AI β β -(1+β) -1
Ri rπ rπ+(1+β) RE rπ+(1+β) RE rπ/β
AV -β RC/rπ -RC/RE 1 β RC/rπ
Ru RC RC rπ/β RC