TRANSISTOR BIPOLARE (BJT): AMPLIFICATORE E INTERRUTTORE

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1 CAP.4 TRANSISTOR BIPOARE (BJT): AMPIICATORE E INTERRUTTORE 1. Transstore bpolare a gunzone (BJT). 2. Retta d carco e punto d laoro 3. Modell DC a largo segnale. 4. Crcut d polarzzazone. 5. Crcuto equalente per pccol segnal (a bassa frequenza) del BJT. 6. Stado amplfcatore ad emetttore comune. 1 TRANSISTORE BIPOARE A GIUNZIONE (BJT) Struttura, termnologa, conenzon. unzonamento n regone atta dretta. Caratterstche statche ad emetttore comune. Guadagn statc d corrente a base ed emetttore comune. Effett del secondo ordne: effetto Early e breakdown Transstore pnp. 2 1

2 STRUTTURA E TERMINOOGIA Un transstore bpolare a gunzone (BJT) npn è costtuto da una regone d semconduttore d tpo p (detta base) nterposta tra due regon d tpo n (dette emetttore e collettore). In un BJT sono pertanto present due gunzon p-n: la gunzone baseemetttore (B-E) e la gunzone base-collettore (B-C). E l nterazone tra queste due gunzon che rende l BJT utlzzable come amplfcatore e come nterruttore. Segn conenzonal delle corrent n un BJT npn: C e B poste entrant, E posta uscente. Nel smbolo crcutale una frecca ndca l termnale d emetttore. Tale frecca è dretta erso l esterno per un BJT npn. 3 UNZIONAMENTO IN ATTIVA DIRETTA Un BJT funzona n regone atta dretta se la gunzone B-E è polarzzata n dretta (V BE >0.6 V) e la gunzone B-C è polarzzata n nersa (V CB <0, o V CE > V). E dpende da V BE nello stesso modo n cu la corrente dpende dalla tensone n una gunzone p-n: E BE IES exp 1 VT ES (= A) è proporzonale all area dell emetttore (A E ). emetttore ene drogato pù pesantemente della base, n modo che la corrente che attraersa la gunzone B-E sa prealentemente costtuta da elettron nettat dall emetttore. 4 2

3 UNZIONAMENTO IN ATTIVA DIRETTA /2 Gl elettron che attraersano la gunzone B-E sono mnortar nella base: s muoono per dffusone erso la gunzone B-C e possono rcombnare con le lacune maggortare. Quell che raggungono la gunzone B-C sono sospnt nel collettore dal campo elettrco della gunzone B-C polarzzata n nersa, che rsulta dretto da C a B. Se lo spessore della base W B èpù pccolo della lunghezza d dffusone B degl elettron n base, la maggor parte degl elettron nettat n E raggunge l collettore. B è costtuta da lacune entrant dal termnale d base per rmpazzare: 1) le lacune nettate n E (la gunzone B-E è polarzzata n dretta); 2) le lacune rcombnate con gl elettron nella base. 5 UNZIONAMENTO IN ATTIVA DIRETTA /3 Rassumendo: a gunzone B-E polarzzata n dretta è attraersata da una corrente che è n larga parte raccolta dal collettore (polarzzato nersamente rspetto alla base) e solo n pccola parte dalla base. Cò n rtù d due caratterstche tecnologche/realzzate fondamental: 1) emetttore molto pù drogato della base (N E /N B 1), 2) rdotto spessore della base (W B / B 1). 6 3

4 CARATTERISTICHE AD EMET. COMUNE a caratterstca B - BE (caratterstca d ngresso ad emetttore comune) è smle alla caratterstca I-V d un dodo a gunzone p-n. a tensone B-E ad una data B dmnusce all aumentare della temperatura d crca 2 mv/k. e caratterstche C - CE per B fssate (caratterstche d uscta ad emetttore comune) sono caratterzzate da C ndpendent da CE per alor d CE maggor d V, oero fntanto che la gunzone B-C è n nersa o debolmente n dretta (BJT è n regone atta dretta). 7 GUADAGNI STATICI DI CORRENTE Il guadagno statco d corrente a base comune α è defnto come l rapporto tra la corrente d collettore e quella d emetttore, ed è un numero tpcamente compreso tra 0.9 a 0.999). α Dato che E = C + B, tra C ed B sussste la seguente relazone: C E C α = 1 α B = β B β C B α = 1 α β è l guadagno statco d corrente ad emetttore comune ed è generalmente compreso tra 10 e 1000 con alore tpco 100. Cò sgnfca che C è una ersone amplfcata della B. 8 4

5 EETTI DE SECONDO ORDINE Effetto Early. e caratterstche d ngresso B - BE tendono a spostars erso BE crescent all aumentare d CE perchè all aumentare d CE cala la rcombnazone degl elettron n base (aumenta la regone d suotamento della gunzone B-C), e qund B. e caratterstche d uscta C - CE hanno pendenza posta nella regone atta dretta: prolungament delle caratterstche d uscta conergono n uno stesso punto dell asse CE, detto tensone d Early (V A ). 9 EETTI DE SECONDO ORDINE /2 Breakdown: a corrente d collettore aumenta rapdamente quando la tensone CE s acna ad un alore crtco detto tensone d breakdown ad emetttore comune. Tale comportamento è proocato da due dstnt fenomen fsc: 1) la onzzazone da mpatto, oero la generazone d coppe elettron-lacuna nelle regon ad eleato campo elettrco; 2) l punch-through della base, oero l completo suotamento della regone d base con conseguente cortocrcuto delle regon d emetttore e collettore. NB a tensone d rottura costtusce un lmte alla massma CE applcable al BJT. Corrente d perdta gunzone B-C: a gunzone B-C è attraersata (oltre che dalla corrente d elettron proenent dall emetttore) dalla corrente d perdta della gunzone n nersa (I CO ). D conseguenza B non s annulla per BE =0 ma ale B -I CO. 10 5

6 TRANSISTORE BIPOARE PNP Il BJT pnp è costtuto da una regone d semconduttore d tpo n (base) nterposta tra due regon d tpo p (emetttore e collettore). Il funzonamento del transstore pnp è del tutto smle a quello del BJT npn (una olta nertte le polartà delle tenson e ers delle corrent). I segn conenzonal delle corrent ( C e B poste uscent e E posta entrante) sono quell assunt n regone atta dretta (come gà per l BJT npn). Nel smbolo crcutale l emetttore è ndcato da una frecca entrante. 11 TRANSISTORE BIPOARE PNP /2 e caratterstche statche del transstore bpolare pnp sono ugual a quelle del transstore npn con l unca dfferenza che le tenson sono cambate d segno. 12 6

7 RETTA DI CARICO E PUNTO DI AVORO Stado amplfcatore ad emetttore comune. Anals del crcuto d ngresso. Anals del crcuto d uscta. Eserczo 13 STADIO AMPIICATORE A EMETTITORE COMUNE In un amplfcatore ad emetttore comune l termnale d emetttore del BJT è comune alla porta d ngresso (B-E) e a quella d uscta (C-B). e due almentazon V BB e V CC fssano la polarzzazone del BJT n un punto d laoro statco n cu s può ottenere una buona amplfcazone del segnale d ngresso (regone atta dretta). Il generatore d tensone snusodale n (t) genera l segnale d ngresso. 14 7

8 CIRCUITO DI INGRESSO Applcando la II legge d Krchhoff al crcuto d ngresso, s ottene: VBB + n(t) = RBB (t) + Tale equazone rappresenta l ncolo che l crcuto esterno mpone su alor d BE e B. a sua rappresentazone grafca è la retta d carco nel pano delle caratterstche d ngresso B - BE. Il punto d ntersezone della caratterstca d ngresso del BJT e della retta d carco fornsce le coordnate del punto d laoro. Il punto d laoro statcoo puntod rposo s ottene ponendo n (t)=0. Al arare d n nel tempo, l punto d laoro stantaneo s sposta sopra e sotto l punto d rposo. BE (t) 15 CIRCUITO DI USCITA Applcando la II legge d Krchhoff al crcuto d uscta, s ottene: VCC = R CC(t) + Tale equazone rappresenta l ncolo che l crcuto esterno mpone su alor d CE e C. a sua rappresentazone grafca è la retta d carco nel pano delle caratterstche d uscta: CE e C deono appartenere alla caratterstca d uscta corrspondente al alore d B ottenuto dall anals del crcuto d ngresso. I alor d CE e C che soddsfano quest ncol sono date dal punto d ntersezone fra retta d carco e la cura C CE corrspondente al corretto alore d B. Se n aumenta, aumenta anche B : CE dmnusce (ed caratterstca d uscta) e l segnale d uscta rsulta pertanto nertto. CE (t) 16 8

9 ESERCIZIO Dat: V CC =10 V, V BB =1.6 V, R B =40 kω, R C =2 k Ω, n (t)=0.4 sn(2000pt). Troare l punto d rposo e alor massm e mnm d CE. Determnare l guadagno d tensone. 1) Determnazone d BQ, Bmax, Bmn. VBB + n(t) = RBB (t) + BE (t) V (t) = B BB + n(t) R B BE (t) 17 ESERCIZIO /2 2) Determnazone d CEQ, CEmax, CEmn. 18 9

10 ESERCIZIO /3 2) Determnazone del guadagno d tensone. Consderando pù punt (oltre CEQ, CEmax, CEmn ) è possble costrure la forma d onda CE (t), la quale rsulta una snusode d ampezza 2 V, frequenza uguale a quella del segnale d ngresso (1000 Hz) e nertta. Il guadagno d tensone rsulta pertanto: A =-2/0.4= DISTORSIONE NON INEARE a tensone d uscta degl amplfcator non è ma una snusode perfetta a causa della non-lneartà del BJT. In quest cas, s dce che l amplfcatore ha ntrodotto una dstorsone non lneare. amplfcazone non ntroduce apprezzable dstorsone solo se l ampezza del segnale d ngresso è così lmtata da etare che l punto d laoro stantaneo esca dalla regone atta dretta. a regone d funzonamento n cu C 0 è detta nterdzone. Quella n cu CE V è detta saturazone

11 REGIONI DI UNZIONAMENTO DE TRANSISTOR BIPOARE REGIONE GIUNZIONE B-E GIUNZIONE B-C ATTIVA DIRETTA On Off SATURAZIONE On On INTERDIZIONE Off Off ATTIVA INVERSA Off On 21 MODEO DC DE BJT IN REGIONE ATTIVA DIRETTA E SATURAZIONE ATTIVA DIRETTA SATURAZIONE 22 11

12 MODEO DC DE TRANSISTOR BIPOARE IN INTERDIZIONE 23 CIRCUITI DI POARIZZAZIONE Anals DC de crcut a BJT. Crcuto d polarzzazone a base fssa. Crcuto d polarzzazone a doppa almentazone. Crcuto d polarzzazone a 4 resstenze

13 ANAISI DC DEI CIRCUITI CONTENENTI TRANSITOR BIPOARI I crcut d polarzzazone hanno la funzone d fssare l punto d rposo de transstor all nterno d specfche regon (atta dretta se l BJT laora da amplfcatore, nterdzone/saturazone se laora da nterruttore). Per analzzare un crcuto contenente transstor BJT: 1. s assume che ogn BJT oper n una determnata regone d funzonamento e s sosttusce ad ogn BJT l corrspondente modello DC; 2. s rsole l crcuto ottenendo l punto d rposo d ogn BJT; 3. s erfca, per ogn BJT, che la soluzone ottenuta soddsf le condzon mposte dalla regone d funzonamento assunta; 4. n caso affermato l anals è completa; altrment s assume una dersa regone d funzonamento per uno o pù BJT e s rpetono punt 2-4 fno a quando s ottene una soluzone alda per tutt BJT. 25 POARIZZAZIONE A BASE ISSA Dat: V CC =15 V, R B =200 k Ω, R C =1 Ω k, β = Supponamo che l BJT sa nterdetto: I B =0 V BE =V CC =15 V l punto d laoro ottenuto non è consstente con l potes fatta. 2. Supponamo che l BJT sa n saturazone: I C =(V CC -0.2)/R C =14.8 ma, I B =(V CC -0.7)/R B =71.5 ua β I B < I C l punto d laoro ottenuto non è consstente con l potes fatta

14 POARIZZAZIONE A BASE ISSA /2 Supponamo che l BJT oper n regone atta dretta: I B =(V CC -0.7)/R B =71.5 ua, I C = β I B = 7.15 ma, V CE =V CC -R C I C =7.85 V. Rsulta erfcato che: I B >0 e V CE >0.2 V, pertanto l BJT opera realmente n regone atta dretta e alor ottenut per I B, I C e V CE rappresentano effettamente l suo punto d laoro. Il punto d laoro del BJT è prossmo al punto medo della retta d carco: una grossa arazone d β (usuale ne component dscret) può portare l punto d laoro erso le zone d saturazone e nterdzone: per questo, l crcuto d polarzzazone a base fssa non è adatto per amplfcator d massa. Il crcuto è detto a base fssa perchè I B è fssata da V CC e R B. 27 POARIZZAZIONE A DOPPIA AIMENTAZIONE Dat: V CC =15 V, V BB =5 V, R C =2 kω, R E =2 kω, β = 100. Ipotzzamo l BJT operante n regone atta dretta: I E =(V BB -0.7)/R E =2.15 ma (ndpendente da β ) I B =I E /(β +1)=21.3 ua I C =β I B =2.13 ma V CE =V CC -R C I C -R E I E =6.44 V Ipotes corretta. Il punto d laoro sulla caratterstca d uscta (I C, V CE ) è pratcamente ndpendente da β

15 POARIZZAZIONE A 4 RESISTENZE Il crcuto d polarzzazone a doppa almentazone non ene utlzzato perchè rchede due almentazon, e non consente d nettare n base un segnale AC (la base è cortocrcutata a massa per segnal AC), caratterstca fondamentale per un amplfcatore. Per questo moto, s utlzza l crcuto d polarzzazone a 4 resstenze: le due resstenze R 1 e R 2 formano un quas (NB: c è I B ) parttore d tensone che ha lo scopo d fornre una tensone costante ndpendente da β sulla base del BJT, che s traduce n un punto d laoro (I C, V CE ) ndpendente da β. Sccome la base del BJT non è drettamente connessa all almentazone o a massa, è possble nettar un segnale AC tramte una capactà d accoppamento. 29 POARIZZAZIONE A 4 RESISTENZE /2 Applcando l teorema d Theenn (generatroe equalente) tra la base del BJT e massa guardando a snstra dalla lnea tratteggata: R B =R 1 R 2 = R 1 R 2 /(R 1 +R 2 ) resstenza equalente V B =R 2 V CC /(R 1 +R 2 ) tensone equalente 30 15

16 POARIZZAZIONE A 4 RESISTENZE /3 Supposto che l BJT funzon n regone atta dretta: V B =R B I B +V BE +R E I E e I E =(β +1)I B s rcaa: I B =(V B -V BE )/[R B +(β +1)R E ] I C =β I B V CE =V CC -R C I C -R E I E 31 POARIZZAZIONE A 4 RESISTENZE /4 Per l crcuto n fgura (β =100): I B =41.2uA; I C =4.12mA; V CE =6.72V Affnché l (quas) parttore d tensone R 1 -R 2 fornsca una tensone costante alla base del BJT, bsogna che I B sa pccola rspetto alla corrente su R 1 e R 2, ossa che R 1 e R 2 sano pccole. All aumentare d R 1 e R 2 le arazon del punto d laoro con β aumentano. Tuttaa, sto che alor troppo pccol d R 1 e R 2 portano a corrent troppo eleate, R 2 è scelta n modo che la corrente che la attraersa sa olte maggore della massma I B. È noltre opportuno che V B sa grande rspetto a V BE : d solto V B =V CC /3. Il crcuto a 4 resstenze è largamente utlzzato per la polarzzazone degl amplfcator a dscret

17 BJT COME INTERRUTTORE Usato come nterruttore, l transstor è un dsposto dgtale che ha due sol stat: acceso (ON) e spento (O) e sere per controllare potenza fornta ad un certo carco R Se l transstor è spento, la tensone fra Vcc C e E (V CE ) è uguale a V CC, la corrente I C =0, per cu la potenza dsspata P=V CE I C =0 R Quando l transstor è acceso, laora n saturazone, V CE ~0.3V, su d esso scorre molta corrente, e qund l transstor dsspa potenza V CE I C >>0 Ogn BJT è n grado d gestre un certo lello d potenza (BJT d segnale e d potenza): la potenza dsspata s trasforma n calore e s deono preedere opportune alette d raffreddamento per controllare la temperatura del BJT. 33 STADI DI USCITA POWER SWITCHING R 1 per lmtare la corrente n base Protezone dalle corrent d spegnmento (dodo) È mportante sceglere bene l transstor: dee sopportare la corrente d carco! 34 17

18 CIRCUITO EQUIVAENTE PER PICCOI SEGNAI DE BJT Regme d pccolo segnale. Crcuto equalente a due parametr. 35 REGIME DI PICCOO SEGNAE I segnal d corrente ( b, c, e ) o tensone ( be, ce, cb ) sono defnt come la arazone della grandezza consderata rspetto al suo alore d rposo. S è n regme d pccolo segnale se le ampezze d tal arazon sono così pccole da poter essere lnearzzate nell ntorno del punto d rposo. B (t)=i BQ + b (t) C (t)=i CQ + c (t) E (t)=i EQ + e (t) BE (t)=v BEQ + be (t) CE (t)=v CEQ + ce (t) CB (t)=v CBQ + cb (t) 36 18

19 CIRCUITO EQUIVAENTE A DUE PARAMETRI I crcut equalent a pccol segnal (a) e (b) descrono le relazon esstent n un BJT fra corrent e tenson d pccolo segnale: r π èla resstenza equalente della gunzone B-E (a temperatura ambente V T V), g m è la trasconduttanza β g m = = rπ I CQ V T r π V = I T BQ βv = I CQ T Relazon tra corrent e tenson d pccolo segnale: (a) (b) (t) = c β b (t) c = g m (t) be (t) (t) = b be(t) r π 37 STADIO AMPIICATORE AD EMETTITORE COMUNE Schema elettrco. Crcuto equalente per pccol segnal. Guadagno d tensone. Impedenza d ngresso. Guadagno d corrente e d potenza. Impedenza d uscta

20 SCHEMA EETTRICO In condzon statche condensator sono de crcut apert e pertanto le resstenze R 1, R 2, R C e R E1 +R E2 realzzano una rete d polarzzazone a 4 resstenze. C 1 accoppa la sorgente del segnale d ngresso alla base del BJT, mentre C 2 accoppa l segnale d uscta (preso sul collettore del BJT) al carco. C E, detta capactà d by-pass, costtusce un percorso a pù bassa mpedenza per e erso massa. C 1, C 2 e C E sono scelte grand n modo da dare una pccola mpedenza alla mnma frequenza utle d n : nell anals AC anno consderat come de cortcrcut. Se R E1 =0, l emetttore del BJT è comune alle porte d ngresso e quella d uscta de segnal. 39 CIRCUITO EQUIV. AI PICCOI SEGNAI Per ottenere l crcuto equalente a pccol segnal dell amplfcatore a emetttore comune occorre sostture: 1) a condensator de cortocrcut; 2) al BJT l suo crcuto equalente per pccol segnal; 3) a generator d tensone (corrente) DC ndpendent de cortocrcut (crcut apert), dal momento che su d ess la arazone d tensone (qund l segnale d tensone) è nulla. Possamo qund defnre: R B =R 1 R 2 e R = R C R

21 GUADAGNO DI TENSIONE a corrente attraerso R E1 è data da e =(β +1) b. a tensone d ngresso può scrers come: + R ( β + 1) n = r π b E1 b a tensone d uscta è data dalla caduta d tensone su R oero: o = R β b Ddendo membro a membro s o βr ottene l guadagno d tensone: A = = n rπ + ( β + 1)R E 1 A è negato: cò sgnfca che l amplfcatore ad emetttore comune è un amplfcatore d tensone nertente. Il guadagno d tensone a uoto èdato da: βr C A o = r + ( β + 1)R π E1 41 GUADAGNO DI TENSIONE /2 Se R E1 =0: A = o n β R = r π Se (β +1)R E1 >>r π e β >>1, s ottene: A βr = r + ( β + 1)R π E1 βr ( β + 1)R E1 R R E1 In queste condzon A è crca ndpendente da parametr del BJT e dpende uncamente dal rapporto della resstenza d carco R e della esstenza all emetttore R E1. a resstenza R E1 n sere all emetttore rduce l guadagno d tensone rspetto al caso R E1 =0, ma lo rende meno sensble a parametr del transstor (e come edremo aumenta l mpedenza d ngresso)

22 IMPEDENZA DI INGRESSO mpedenza d ngresso sta dalla base del BJT è ottenble dall eqz. D Krchoff della magla d ngresso: Z r + ( β + 1) R n t = = π b mpedenza d ngresso sta dal generatore del segnale d ngresso è l parallelo d R B e Z t : n 1 Zn = = 1 1 n + R Z Con le approssmazon fatte, l mpedenza d ngresso è una pura resstenza e pertanto può essere ottenuta come rapporto della n e della n stantanee. Se nel crcuto equalente fossero state present capactà e/o nduttanze, sarebbe stato necessaro ddere fasor assocat e l mpendenza ottenuta arebbe auto una parte reatta. E1 B t 43 GUADAGNO DI CORRENTE E DI POTENZA Il guadagno d corrente è n generale ottenble come: Z o n 0 A = = = n n R A Z R n Il guadagno d corrente d corto crcuto è dato da: Asc = β Nell potes d mpedenze d ngresso e d carco puramente resste, l guadagno d potenza è dato dal prodotto: G = A A = A 2 V Z R n 44 22

23 IMPEDENZA DI USCITA Per calcolare l mpedenza d uscta, l generatore d segnale s dee essere cortocrcutato. In queste condzon b =0 e pertanto anche b b =0, da cu: o Z o = = R C o 45 INSEGUITORE DI EMETTITORE Il segnale d uscta è preleato dall emetttore e trasferto n uscta tramte C 2. a resstenza d collettore non sere n questo crcuto

24 INSEGUITORE DI EMETTITORE /2 Crcuto equalente a pccolo segnale a centro banda: dato che l collettore è connesso a massa, questo crcuto è chamato amplfcatore a collettore comune; R B =R 1 R 2 e R = R C R ; guadagno d tensone: = 1 + β R r β R o ( ) b n = π b ( ) b 47 INSEGUITORE DI EMETTITORE /3 A V 1: per essere utle, questo crcuto dee aere un grande guadagno d corrente ( 1 + β ) R A V = > 0 r β R π ( ) A V >0: è un amplfcatore non-nertente; la tensone d uscta camba della stessa quanttà d cu camba quella d ngresso, per cu s dce che nsegue l ngresso Alta mpedenza d ngresso (rspetto ad altre confgurazon crcutal che utlzzano BJT): transstor MOSET e retroazone autano ad aumentare l mpedenza d ngresso Z n = n n = 1 R B Z t n Z t = = r ( 1) R π + β + b 48 24

25 INSEGUITORE DI EMETTITORE /4 Guadagno d corrente generalmente eleato o A = x n = A 1 R E Z R n 1 Z Z R ot n Bassa mpedenza d uscta x 1 Z0 = = + R Z R B[ r ( 1 ) R π + + β ] [ R + r + ( 1 + β ) R ] B ot = π π r + R S 1 + β R S RBR S = R + R B S 49 AMPIICATORE A BASE COMUNE amplfcatore a base comune è non-nertente, ha potenzalmente un eleato guadagno d tensone, mentre l guadagno d corrente è nferore all untà. R 1 e R 2 sono resstenze d polarzzazone

26 AMPIICATORE A BASE COMUNE /2 Guadagno d tensone: = β R o b Calcolare: Guadagno d corrente Impedenza d ngresso Impedenza d uscta = r n π b A V β R = r π R RR C = R + R C E 51 26