Il TRANSISTOR. Il primo transistor della storia

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1 Il TRANSISTOR Il primo transistor della storia

2 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

3 I C IL TRANSISTOR I C p COLLETTORE n I B n p BASE (sottile) EMETTITORE (fortemente drogato) I B p n I E I E +I B +I C =0 pnp I E npn

4 Simboli circuitali del transistor pnp npn C C B B E E

5 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

6 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

7 IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE BASE COLLETTORE I C p+ p n V EB + La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base _ + _ V CB I E V EB + _ I B + _ V CB I C

8 IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor) EMETTITORE BASE COLLETTORE p + n _ + + _ p La giunzione BC è polarizzata inversamente le lacune diffondono verso il collettore I E + _ I + _ B I C

9 GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR Nei transistor reali il 98% % della corrente I E raggiunge il collettore. β F Guadagno di corrente di corto circuito a emettitore comune (detto anche h FE )

10 Polarizzazione del transistor configurazione CE Retta di carico V CC R B R C I C R C I C V CC B C V CE V CC V BE ~ 0.7V E La retta di carico

11 Le caratteristiche del transistor (di uscita e a emettitore comune) Transistor in saturazione Transistor in zona attiva L incrocio della retta di carico con la curva caratteristica con I B =cost. determina il punto di lavoro (la soluzione del circuito). Ad esempio con I B =80µA Transistor spento Effetto Early: curve a I B costante non parallele all asse V CE

12 Amplificatore a transistor Configurazione CE Progetto del circuito RB =1.0MΩ VCC =10V RC=2.2kΩ RC IB IC =1.8mA C VCE =6V B VBE ~ 0.7V E Transistor in configurazione a Emettitore Comune CE (Common Emitter)

13 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

14 Amplificatore in configurazione CE V CC =10V 5mA R B I B B R C I C C v u 2.2V ~ v i V BE ~ 0.7V E

15 Il modello ibrido a Π b c i b r o r π g m v π Modello semplificato del funzionamento del BJT r π è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1kΩ). g m v π è la corrente generata del generatore controllato di corrente r ο è la resistenza di uscita, responsabile dell effetto Early e

16 Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE R g i b b v g ~ v i v b e r π c g m v π e i u R C v u Parametri dell amplificatore a BJT a Emettitore Comune

17 Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze) R g C i b b v g ~ v i v b e GENERATORE BJT CONFIG. CE r π c e i u Si deve considerare solo g m v lo «stadio π di ingresso» R C v u Passa alto formato da C (capacità di blocco) e r π.. Quanto vale la tensione (complessa) V π? Passa Alto Dove s o.=1/ r π C

18 Il modello completo del transistor per piccoli segnali b i b r b r π r µ C µ r c c v π = r π i b C π g m v π r o e r b: Resistenza di contatto di base ~ 100Ω r Resistenza di giunzione di B-E ~ 1κΩ g m transconduttanza r o Resistenza effetto Early ~ 100κΩ r c: Resistenza di contatto del collettore ~ 1Ω r µ: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1ΜΩ C π Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF C µ Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF e

19 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=v B /V A allora l impedenza Z può essere sostituita da due impedenze Z A e Z B rispettivamente da A e B verso massa Α Ζ Β Α Ζ Α Ζ Β Β

20 Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) b r b A B r c c C µ R g v g ~ v b r π C π C µ (1-A) g m v π r o C µ (1-A)/A R C e e C p Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF C m Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione C µ )

21 Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) Passa Basso v g ~ A C π + C µ (1-A V ) Circuito equivalente «visto» dal generatore Esempio numerico A v b ~ C π + C µ (1-A V ) Circuito equivalente «visto» dalla base Frequenza di taglio del «passa basso»

22 Risposta in frequenza di un amplificatore CE Diagramma di Bode dell amplificazione Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso 3 db A V (db) Mezza banda Frequenza di taglio alta dovuta capacità di diffusione e di trans Frequenza (Hz)

23 BJT in configurazione CEE V CC Eq. Th. R C I C R 1 I B B C v u ~ v g V BE ~ 0.7V R 2 E R E

24 CE con R E - Polarizzazione della base V CC R 1 R C I C I B C I C B V BB R B I B I E R E R 2 R E E v u

25 R E Come retroazione ( FEEDBACK ) V CC R C I C I B B C Caratteristica di ingresso V B E V C R E V E I B (µa) I E V BE (V)

26 Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza i g b i b c i u =i c R g r π ~ v g R B e g m v π R C v u R E

27 Polarizzazione configurazione CC BJT in configurazione CC (Emitter Follower) R1 V CC I C I B B C ~ v i V BE ~ 0.7V E R 2 R E v u

28 Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza BJT conf. CC i g b i b c R g r π ~ v g R B e R E v u g m v π L uscita è sull emettitore

29 Disponendo diversamente i componenti ma senza modificare la topologia: R g v g ~ b i b g m v π r π R E v v u b e i u c

30 Caratteristiche dell Emitter-Follewer (continua)

31 Amplificatori in cascata (CE +CC) V CC R 1 I p R C C R 1 v g B ~ R 2 E R 2 R E v u R E CEE CC Accoppiamento ac

32 Amplificatori in cascata (CE +CC) V CC R 1 I p R C C v g B ~ R 2 E R E v u R E CEE CC Accoppiamento dc

33 Configurazione CB Nella configurazione a base comune (CB) la Base del transistor è in comune tra ingresso e uscita dell amplificatore V CC v i E R C + C + R E v u B - - R g v g~ i i e - R E + r π v π g m v π i u R C c v u b -V EE Amplificatore con BJT in configurazione: Base Comune v i Circuito equivalente per piccoli segnali

34 Impedenza d Ingresso

35 Amplificazione di corrente

36 Amplificazione di tensione

37 Impedenza d uscita

38 Caratteristiche approssimate per le configurazioni del BJT CE CE +R E CC CB A I β β -(1+β) -1 R i r π r π +(1+β) R E r π +(1+β) R E A V -β R C /r π -R C /R E 1 β R C /r π R u R C R C r π /β R C