Transistor bipolare a giunzione (bjt bipolar junction transistor)

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1 Transistor bipolare a giunzione (bjt bipolar junction transistor) Il transistor e' formato da due diodi contrapposti con una regione in comune (base) B B E C N E P E N C IE IC E P E C emettitore collettore B N P C IE IB B C E IC IB B C B base transistor di tipo NPN transistor di tipo PNP

2 Geometria del bjt emettitore E base B C collettore N PN wafer di silicio La regione di base, che separa emettitore e collettore, e' molto sottile ( m)

3 Funzionamento del bjt Equazioni di Ebers Moll la giunzione emettitore base e' direttamente polarizzata la giunzione collettore base e' contropolarizzata B E IE VEB non polarizzato qv polarizzato C N e E P F IE (1 F) IE N E IC C + B IB + I E I ES e V BE / V T V BC / V T I C I CS e 1 R I CS e VCB V BC / V T B C x energia potenziale degli elettroni nelle regioni del transistor NPN nelle condizioni operative normali (regione attiva) le correnti dovute alla giunzione contropolarizzata sono trascurabili 1 effetto transistor V BE / V T 1 F I ES e 1

4 Caratteristiche del bjt nella regione attiva Polarizzazione collettore base nella configurazione base comune Equazioni di Ebers Moll semplificate: I E I ES e V BE / V T 1 V BE / V T I C F I ES e 1 F I E VCB La corrente di base IB controlla una corrente di collettore IC che e' F volte piu' grande: I B I E I C IC F 1 F IC I C IC F IC IB VCE 1 F F VBE IE I B F IB coefficienti di amplificazione di corrente: F a base comune F a emettitore comune I E F 1 I B IB+IC IC Polarizzazione collettore emettitore nella configurazione emettitore comune

5 Curve caratteristiche del bjt a emettitore comune IC IB confine tra regione attiva e saturazione: VBE (IB,VCE) VCE regione di saturazione IB IC (IB,VCE) regione attiva IC (ma) IB 120 A VCE IE IB ( A) la dipendenza di VBE da VCE non e' apprezzabile nel grafico VBE (IB,VCE) 20 0 a) regione di interdizione VCE (V) b) VBE (V)

6 Curve caratteristiche di un transistor MD8003 IC hfe 175 goe 33 A/V VA 210 V 50 A 40 A 30 A VCE

7 Effetto Early I C F I B 1 V CE VA Una dipendenza (praticamente lineare) di IC da VCE compare a causa della variazione della regione di transizione della giunzione base collettore al variare della polarizzazione (curve blu) IC (ma) Le curve caratteristiche della regione attiva (rette), prolungate a sinistra, si incontrano sull'asse x in corrispondenza della tensione VA, la tensione di Early Le equazioni di Ebers Moll prevedono IC indipendente da VCE (curve rosse) IB ( A) VA VA VCE (V)

8 Amplificatore con bjt IB+ib b ib IB VS / RL IC + ic c RL e vbe Retta di Carico IC I B 120 A VCE + vce VS 80 ic Q Il generatore di polarizzazione IB stabilisce il punto di lavoro Q Equazione della maglia di uscita: vce IC RL + VCE (IC,IB) VS Ai ic / ib coefficiente di amplificazione (guadagno) di corrente Av vce / vbe coefficiente di amplificazione (guadagno) di tensione VS VCE ib

9 Modello lineare del bjt Amplificatore per piccoli segnali V BE / V T I C F I ES e IB Le equazioni di Ebers Moll suggeriscono di scegliere IC come variabile dipendente e VCE indipendente per il circuito di uscita. 1 IC Per il circuito di ingresso e' equivalente scegliere come variabile indipendente IB (e utilizzare i parametri h) oppure VBE ( e utilizzare i parametri g). F Rs b vs gre v2 gie gfe v1 c goe e b is Gs e RL e hie c hre v2 hfe i1 hoe RL e 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.

10 Parametri g del modello lineare del bjt I valori dei parametri dei modelli lineari si ottengono dalle equazioni che descrivono il funzionamento fisico del dispositivo. Dalle equazioni di Ebers Moll V BE / V T I C F I ES e 1 ib gie v1 + gre v2 ic gfe v1 + goe v2 IC IB F si ricava: g fe gie goe gr e ic vbe ib v be ic v ce ib v ce IC V BE IB V BE IC V CE IB V CE F I ES V BE / V T VT e IC IB V BE IC Il parametro gfe dipende solo dal punto di lavoro I Il parametro gi dipende solo VT dal punto di lavoro e da f E g fe f F 0 0 Nel modello di Ebers Moll go e gr sono nulli. (tutte le derivate sono calcolate considerando l'altra variabile indipendente costante). IC IB f IC IB

11 Amplificazione di tensione e di corrente Rs vs b ib vbe e ib gie vbe ic gfe vbe ic grevce gie gfe vbe c goe vce e RL Nel modello di Ebers Moll il funzionamento del transistor e' descritto da due soli parametri: conduttanza di ingresso gie e conduttanza di trasferimento diretto (conduttanza mutua) gfe. Gli altri due parametri ( goe, gre ) 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.... v ce ic R L Av g fe R L amplificazione di tensione v be v be fattore di partizione della ic g fe v be tensione di ingresso tra Rs e gie Ai ( β f ) amplificazione di corrente ib gie v be v ce 1 amplificazione di tensione (tenendo A 'v g fe RL vs 1+ Rs gie conto della resistenza del generatore)

12 Conduttanza di uscita goe L'effetto Early introduce una correzione al modello di Ebers Moll: In corrente continua ed in bassa frequenza l'effetto di gre rimane trascurabile Rs vs ib b vbe ic gie gfe vbe goe c vce e Av ic vce IC V CE f IB VA RL e fattore di partizione della corrente di uscita tra RL e goe ib gie vbe ic gfe vbe + goe vce v ce goe ic R L g fe R L 1 1+ R L goe v be v be ic g fe v be 1 1 Ai β f ib gie v be 1+ RL g oe 1+ R L g oe amplificazione di tensione amplificazione di corrente IC VA

13 Parametri h del modello lineare del bjt h fe ib b is Gs vbe IB v ce f V BE gie IC V CE V BE V CE 1 hie ib vbe e IB v ce hr e IC ic h oe 1 Ai h fe ib 1 RL hoe v ce i c RL h fe RL Av v be v be h ie 1 RL h oe ib v be h ie ic ic V BE IC IC IB 0 h fe g fe hoe hfe ib gf g oe ic hie f hie c vce e RL

14 Uno stadio amplificatore con transistor bjt Resistenza di collettore. Per avere il punto di lavoro circa a meta' della regione attiva: ½ VS / IC Resistenza di polarizzazione della base. Stabilisce il punto di lavoro: RB (VS VBE ) / IB RB C1 VB 0.6 V VS C2 vo vi Condensatore di disaccoppiamento di ingresso. Isola il generatore del segnale dalla tensione continua di polarizzazione. C3 Tensione di alimentazione del circuito amplificatore. Condensatore di filtro della tensione di alimentazione. Condensatore di disaccoppiamento di uscita. Isola il carico dalla tensione continua di polarizzazione di collettore.

15 Limiti di banda passante Frequenza di taglio inferiore Rs vs C1 ib RB b goe gie vbe C2 ic gfe vbe vce RL vo e H H Circuito passa alto di ingresso db j / 0 1 j / 0 Circuito passa alto di uscita: 0 log / 0 Il circuito non e' utilizzabile per amplificare segnali in corrente continua

16 Dispersione dei valori di F ( o hfe ) F (hfe) Valori di F misurati su un campione di 50 transistor modello 2N2222A. Valori di specifica: F > 50.

17 Precarieta' del punto di lavoro IC (ma) RB VS / I B 10 A 8 6 Q VCE (V) Intervallo in cui si puo' venire a trovare il punto di lavoro VS vi C3 VS C2 vo C1 VB 0.6 V VS 12 V 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 La corrente IC puo' essere compresa tra i valori: 4.7 A [ ] ma

18 Stadio amplificatore a 4 resistenze con transistor bjt RB1 C1 C3 VS C2 vo vi RB2 Il partitore che alimenta la base e la resistenza di emettitore rendono il punto di lavoro piu' stabile. RE CE Il condensatore di emettitore CE collega l'emettitore a massa per quanto riguarda il segnale.

19 Circuito di polarizzazione a 4 resistenze RB1 C1 C3 VS C2 RB vo vi RB2 RE CE V B V S RB2 R B1 RB2 R B1 R B2 IC I B F R B1 R B2 IB IE IB ( F + 1) RE V B I B RB +V BE + RE I B (βf + 1) V B V BE IB R E (βf +1)+ R B V B V BE V B V BE I E I B (βf +1) (β f +1) R E (βf +1)+ R B R E + R B /(β f +1)

20 Circuito emitter follower (inseguitore di emettitore) Circuito a collettore comune VS RG vg VG vb vg RG ib c b vb hfe ib ve IB RL IE IB (hfe + 1) VG IB RG + VBE + IB (hfe + 1) RL Ri vb / ib hie + (hfe + 1) RL Ro RL // (hie + RG) / (hfe + 1) ic hie ie e ve RL vg ib RG + ib hie + ib (hfe + 1) RL vb ib hie + ib (hfe + 1) RL ve ib (hfe + 1) RL ve ( h fe +1)R L Av 1 vb hie +(h fe +1) RL Ai h fe +1

21 Circuito con reazione di emettitore VS ib c vc vg ve vg VG RE IE IB (hfe + 1) ic hie hfe ib b e RE vc ve vg ib RG + ib hie + ib (hfe + 1) RE vb ib hie + ib (hfe + 1) RE ve ib (hfe + 1) RE vc ib hfe vc h fe Av vb hie h fe 1 RE RE

22 Amplificatore differenziale +VS A volte due fonti di errore sono meglio di una 1 2 c1 VS c2 b1 b2 v1 v2 VS RE VS Le tensioni di ingresso v1 e v2 possono variare su un intervallo ampio di valori, che comprende lo zero. I due transistor sono il piu' possibile eguali Le resistenze 1 ed 2 son il piu' possibile eguali Non c'e' bisogno di condensatore di disaccoppiamento di ingresso. L'amplificatore differenziale puo' amplificare segnali in corrente continua.

23 Scomposizione di segnali in modo comune e modo differenziale Due segnali indipendenti v1 e v2 possono sempre essere ottenuti come somma di un segnale di modo comune vc ed un segnale di modo differenziale vd: v1 v1 vc v1 v c+ vd / 2 v1 v2 2 vd 2 v2 v2 v1 v 2 2 v 2 vc v d / 2

24 Risposta dell'amplificatore differenziale ad un segnale di modo comune e ad un segnale di modo differenziale +VS +VS b1 c1 c2 0 c1 b1 b2 c2 0 b2 i0 e1 2RE vc e2 vd / 2 vc e1 e2 RE 2RE vd / 2 i0 VS VS Se la rete e' lineare i 0 modo comune Ac vc 1,2 v b 1,2 h fe hie +(h fe +1) 2 R E modo differenziale 2 RE Ad v c1 v c 2 vb 1 v b 2 h fe hie 1+ h oe

25 Modello lineare dell'amplificatore differenziale Amplificazione in modo differenziale b1 c1 c2 gfevbe1 vd gie b2 gfevbe1 goe e1 RE goe e2 i0 gie vd

26 Esempio di amplificatore differenziale 15 V 1 10 k 0V in k 0.72 ma 7.8 V b1 c1 7.8 V b2 c2 0.6 V e1 C1 0 0 V in e2 C2 RE 10 k 1.44 ma 15 V Ac vc vb C MRR h fe hie +(h fe +1)2 R E Ad Ac 2 RE 0.5 Ad vc 1 v b vb 1 g fe 2 1 h fe 1 g fe h ie 1+ hoe 2 V e V 1 2 RE V T

27 Current mirror VS VS IB RM IC + 2 I B I I B F RM VBE VBE a) IB (VS VBE) / RM I IC VCE b) IC + 2 IB (VS VBE) / RM

28 Current mirror con coppia monolitica di CA 3046 dvce/dic resistenza dinamica 76 k VCE 15 V IC 1.5 ma VCE/IC resistenza statica 10 k

29 Amplificatore differenziale con current mirror 15 V R3 22 k IM 1.33 ma R1 10 k in+ VC1 VC2 T1 R2 10 k T2 C1 in 0 IE 1.49 ma T4 T5 C2 15 V IM (30V 0.65V) / 22 k 1.33 ma IE IM F / ( F + 2) ( V / VA) 1.49 ma gfe 0.74 ma / VT 28 ma/v Ad gfe RL / F 110 gie gfe / f 0.25 ma / V goe IB f / VA 6.6 A / V 1/goe 160 k

30 Amplificatore differenziale con stadio di uscita emitter follower 15 V RM 22 k IM 1.33 ma R1 10 k R2 10 k VC 8.0 V in T1 + T2 in T5 C1 7.3 V DZ (7.3 V) 0 0V IE 1.40 ma T3 T4 out RE 4.7 k IE ma C2 15 V Zo R2 hie5 h fe 1 10 k 1.7 k

31 emitter follower asimmetrico ed a simmetria complementare +VS T1 vg Vpol I1 RE T1 vg RL ve +VS RL ve io T2 VS io VS

32 emitter follower a simmetria complementare +VS T1 vg ve T2 +VS R1 RL vg D2 io ve ma V vg ve T2 R2 VS V D1 T1 RL io VS ve vg T (ms) T (ms) ma IE1 IE1 T (ms) IE2 T (ms) RL 100 IE2

33 Amplificatore differenziale con stadio di uscita emitter follower a simmetria complementare 15 V R3 22 k 2 in+ R2 10 k R1 10 k 1 5 T1 T2 R5 56 IM 1.33 ma 11 T4 10 R4 4.7 k VC2 8.0 V 4 R6 56 IE 1.40 ma DZ in 6.2 V D1 D2 14 T5 13 R7 4.7 k T6 8 T3 + R V R V T7 C1 10 F 0V 0 out + C2 10 F 15 V fig:amp_7_ca3046