grandezza in ingresso grandezza in uscita tipo di amplificazione V V di tensione V I di conduttanza I V di resistenza I I di corrente tab.

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1 . Il transstor bpolare a gunzone (BJT)..Introduzone Il transstor bpolare a gunzone (BJT) è probablmente l dsposto ce maggormente a nfluenzato la tecnologa e qund, n modo pù o meno dretto, la stora del nostro secolo. Dalla sua nenzone, ce rsale al 948 presso laborator Bell, molte sono state le erson ce s sono sussegute con modfce e mglore, ce anno portato ad una contnua crescta delle prestazon rspetto al prmo prototpo. Il transstor aea ed a, rspetto a dspost amplfcator a lu antecedent (le alole), un certo numero d antagg (e, ad onor del ero, qualce santaggo) qual l ntegrabltà, l affdabltà, l costo, ecc... I dspost o crcut elettronc amplfcano quando è possble ottenere l controllo d una grande arazone d una grandezza d uscta per mezzo d una pccola arazone d una grandezza n ngresso. In funzone d quale grandezza enga plotata n uscta e d quale sa quella a plotare n ngresso, s dstnguono 4 tp fondamental d amplfcator, secondo lo scema rportato n tab. -: grandezza n ngresso grandezza n uscta tpo d amplfcazone V V d tensone V I d conduttanza I V d resstenza I I d corrente tab. - BJT è l acronmo d Bpolar Juncton Transstor ossa transstor bpolare a gunzone. Questo dsposto nfatt nasce da due gunzon, essendo costtuto da una regone d tpo n (o p) fra due d tpo p (o n) come scematzzato n fgura. Per ognuna delle gunzon a consderata una zona suotata, n fgura non rportata per semplctà, n modo analogo a quanto gà sto nel caso del dodo. La fgura mostra la smbologa ce s adotta per l BJT. n p n EMETTITORE BASE OLLETTORE fgura p n p EMETTITORE BASE OLLETTORE (a) (b) fgura : (a) BJT d tpo pnp, (b) BJT d tpo npn La prma regone ce s ncontra è detta d emetttore, la seconda, posta al centro della struttura, è detta d base, l ultma è detta d collettore. Nello scema d fgura l emetttore è ndduato dal termnale con la frecca.

2 ..Polarzzazone delle gunzon Per poter amplfcare s a necesstà ce l BJT laor nella sua regone atta, e qu rmanere sa per escurson poste ce negate del segnale n ngresso. Per ottenere cò è necessaro qund ce con un segnale d ngresso nullo s sa nella parte centrale della regone atta. I [ma] regone d saturazone I B[ μa] regone atta regone d breakdown 0 fgura 3 regone d cutoff V E [V] crcuto d polarzzazone.3.elemento comune Il segnale n ngresso s applca tra due punt del crcuto l segnale d uscta s prelea da due punt del crcuto essendo l BJT un dsposto a tre termnal necessaramente uno sarà comune tra ngresso ed uscta. Questo elemento determnerà la tpologa d confgurazone crcutale adottata. In funzone delle possbl combnazon d polarzzare delle due gunzon d un transstor, s anno comportament ders del dsposto, ce è possble rassumere secondo la seguente tabella: emetttore-base base-collettore pol. dretta pol. dretta regone saturazone pol. dretta pol. nersa regone atta pol. nersa pol. dretta regone nterdzone pol. nersa pol. nersa regone nterdzone Esamnamo l sgnfcato d ognuna delle regon d funzonamento, partendo dalla pù sgnfcata, ossa la regone atta, per cu la gunzone emetttore-base è polarzzata drettamente, mentre la gunzone base-collettore è polarzzata nersamente (è caro ce, scelte le tenson da applcare al dsposto, non è possble scambare un BJT d tpo npn con uno d tpo pnp).

3 fgura 4 Per llustrare ora l funzonamento del BJT consderamone uno d tpo npn; l dscorso arrà analogo, ma duale, per l BJT d tpo pnp. Rcordamo ce una polarzzazone dretta faorsce l passaggo d portator maggortar, mentre una polarzzazone nersa faorsce quello de mnortar. Sceglendo le polarzzazon come n fgura, le regon suotate saranno rspettamente: quella d emetttore-base (n polarzzazone dretta) rdotta, mentre quella d base-collettore (n polarzzazone nersa) allargata. Per capre l funzonamento del transstor s propone ora d segure l cammno ce gl elettron fanno per attraersarlo dall emetttore al collettore, attraerso la regone d base. Il dscorso sarà po dentco ma duale per le lacune (ce attraerseranno l BJT dal collettore alla base). Quando l alore della tensone d polarzzazone dretta V BE supera l alore d sogla Vγ, s a un passaggo d elettron dall emetttore alla base, ossa da una regone doe sono portator d maggoranza n una doe dengono portator d mnoranza, sto l drogaggo d tpo p della base. Mentre la regone d emetttore ene usualmente drogata pesantemente n modo da fornre pù elettron possbl per la conduzone, la regone d base è soltamente meno drogata, n modo da dmnure la possble rcombnazone degl elettron ce arrano dall emetttore con le lacune present n base. In effett mnore sarà l numero d elettron ce gungeranno al collettore, pù bassa sarà la corrente. La polarzzazone nersa faorrà ora l passaggo degl elettron, denut portator mnortar, dalla base al collettore. La mnoranza d elettron ce s rcombnano n base crea una corrente I B al termnale. Tale corrente è douta a lacune ce dal crcuto esterno entrano n base (o dualmente da elettron ce escono dalla base e passano al crcuto esterno) per sostture le lacune rcombnates con gl elettron proenent dall emetttore. La corrente I B ce nasce è solo una pccola percentuale (-%) della corrente d collettore I. ò è essenzale per poter utlzzare l BJT come elemento amplfcatore. È ora caro come l termne b-polare nell acronmo del BJT è ndce del fatto ce portator sono sa elettron ce lacune. fgura 5

4 La fgura 5 mostra l erso conenzonale delle corrent ce sono nella drezone delle lacune. Tenuto conto de ers d percorrenza, qund de segn, la somma delle corrent dorà essere nulla n rspetto delle legg d Krcoff, qund IE = IB + I (eq. -)..4.Esemp d cure caratterstce: confgurazone a base comune (B) Introducendo la trattazone del BJT s è fatto rfermento alla polarzzazone d fgura 5, n cu s è scelto d porre l termnale d base a massa. osì facendo le tenson d polarzzazone delle battere sono entrambe rferte al nodo d base, l quale rsulta comune sa al crcuto d emetttore (crcuto d ngresso) sa al crcuto d collettore (crcuto d uscta). In questo modo, rsultando la base comune a due crcut, l tpo d confgurazone ce ne consegue ene detta a base comune. Le caratterstce d ngresso sono cure ce stablscono l legame fra tensone e corrente del crcuto d ngresso, parametrzzate dalla tensone d uscta. Le caratterstce d uscta nece, sono cure ce stablscono l legame fra tensone e corrente del crcuto d uscta, parametrzzate dalla corrente d ngresso..4.. aratterstca d ngresso Per analzzare la caratterstca d ngresso del BJT confgurato a base comune, consderamo lo scema d fgura 6a, n cu è polarzzata la sola gunzone emetttore-base. In questo caso samo nelle condzon gà rcaate per l dodo n quanto la regone d collettore è come non esstesse sto ce non rsulta collegata. S rpropone qund con la fgura 6b la cura caratterstca d fgura, con I=I B =I E e V=V BE. (a) (b) fgura 6: (a) scema del crcuto d ngresso d un BJT d tpo npn, (b) caratterstca d ngresso Le cure della fgura 6b sono noltre parametrzzate dalla V B. Infatt maggore è quest ultma e maggore sarà la polarzzazone nersa sulla gunzone e, d conseguenza, pù facle sarà l passaggo degl elettron (carce mnortare) dalla base al collettore aratterstca d uscta Per analzzare la caratterstca d uscta del BJT confgurato a base comune, consderamo lo scema d fgura n cu è polarzzata la sola gunzone base-collettore. In questo caso, col termnale d emetttore aperto, l unca corrente ce crcolerà sarà quella d saturazone nersa douta a sol portator mnortar generat termcamente. Tale corrente è detta comunemente I B0 (ossa corrente fra collettore e base B col termnale d emetttore aperto o=open ).

5 (a) (b) fg. -: (a) scema del crcuto d uscta d un BJT d tpo npn, (b) caratterstca d uscta In effett, consderando lo scema completo del BJT, con entrambe le polarzzazon come da fg., la I sarà data dalla somma d I B0 con la corrente I E proenente dall emetttore parzalmente rdotta per la rcombnazone n base d una pccola percentuale d elettron. Per tener conto d questo fenomeno la I E ene moltplcata per un coeffcente α ce (graze a passagg tecnologc n fase d realzzazone del BJT ce rducono l fenomeno della rcombnazone n base), è molto prossmo all untà (alor tpc sono compres fra 0.9 e 0.99). La I sarà qund: I = I + I α E B0 (eq. -) Il parametro α, funzone del processo tecnologco adottato e qund derso a seconda del tpo d transstor ce s scegle, defnsce così la parte d portator ce, nettat dall emetttore, rescono a superare la base senza rcombnars. Vsto l alore d α molto prossmo all untà, ed l alore molto basso d I B0, potremo rtenere alde, n molte crcostanze, le approssmazon: I I E, (eq. -3) α I I E (eq. -4) Analzzamo ora la caratterstca d uscta del BJT confgurato a base comune, consderamo lo scema completo con entrambe le polarzzazon dretta (emetttore-base) ed nersa (baseemetttore). Abbamo gà notato come le caratterstce d uscta, sono cure ce stablscono l legame fra tensone e corrente del crcuto d uscta, parametrzzate dalla corrente d ngresso. NOTA: In effett l eq. 5- e le equazon da essa derate, algono con l tpo d polarzzazone adottata: dretta per emetttore-base, nersa per base-emetttore. onsderando nece una polarzzazone d base-collettore generca, doremo sostture l termne I B0 dell eq.5- con V V l termne sto per l dodo, ossa: I = η I T 0 e - (dall eq. 4-), operando le sosttuzon: V B =V, I B0 =I 0. osì facendo appare edente come la corrente d uscta I sa funzone della tensone d uscta V B e della corrente d ngresso I E : è questo l moto della parametrzzazone d cu s è detto delle caratterstce d uscta. Analzzano l andamento della I n funzone d V B : la I è somma de termn αi E ed I B0. Il termne della corrente d emetttore sarà presente solo se la gunzone base-collettore presenta una zona suotata, qund un campo elettrco ce faorsce lo spostamento degl elettron ce sono portator mnortar dalla base al collettore. Tale campo sarà presente con V B nullo e s ncrementerà con la polarzzazone nersa, ossa con V B crescente: n entramb cas alla frazone α della corrente d emetttore sarà possble qund formare la corrente

6 d collettore. Tale corrente comunque arà un alore costante all ulterore aumento d V B, saturando appunto al alore αi E. Quando nece V B arà alor negat, restrngerà la barrera d gunzone fno a ce, superato l alore d sogla Vγ, s arrerà alla polarzzazone dretta ance per questa gunzone e gl elettron n base, portator mnortar, non potranno pù raggungere l collettore. Il termne αi E non potrà pù dare un contrbuto alla I. Questo andamento è scematzzato n fg., n cu le cure sono parametrzzate con I E : a maggor alore d essa corrsponderà un pù alto alore d saturazone della I. fg. -.5.Effetto early Le cure rportate n fg.5-7 n effett presentano un andamento ce non satura ad un precso alore d I al crescere d V E, ma anno tendenza ad aere una pendenza a a crescente all aumentare della I E. ò è douto ad un fenomeno denomnato effetto EARLY, dal nome d colu ce per prmo l a analzzato. In effett cò ce accade è ce al crescere d V E aumenta la polarzzazone nersa della gunzone base-collettore, ce a come conseguenza un aumento della zona suotata, ce s estende n parte nella regone d base ed n parte n quella d collettore. ò comporta ce la regone d base ce gl elettron deono attraersare n percolo d rcombnazone con le lacune dmnusce, qund dmnusce l numero d elettron ce s rcombnano, e ne corrsponde un aumento della corrente. Un altro parametro mportante ce defnsce le caratterstce pecular d ogn BJT è β. Esso s defnsce dal rapporto d due corrent (qund admensonale come è α): β = I I B (eq. -5) Dalle equazon 5., 5.4 e 5.5 con opportun passagg matematc s rcaa una relazone fra due coeffcent α e β: α β = α (eq. -6) Il alore numerco d β è legato, così come ale per α, a process d realzzazone tecnologca del BJT. Valor tpc per esso anno da 50 a 00 (ance se non è raro troare transstor con alor d β ance maggor)..6.studo del BJT medante l crcuto equalente: l transstore come quadrupolo Per lo studo del comportamento del transstore ne è spesso utle una rappresentazone n termn d crcuto equalente. Esso ene qund sto come quadrupolo con una porta d ngresso cu competono tensone e corrente, ed una porta d uscta cu competono tensone e corrente, secondo lo scema proposto n fgura. J.M. Early, Proc. IRE, 40, 40 (95)

7 fgura 7: rappresentazone scematca d un transstore come quadrupolo In funzone del tpo d legame ce ene proposto tra segnal d ngresso ed uscta, la rappresentazone può essere fatta n termn d resstenze, ammettenze, numer pur. Una possbltà è, ad esempo, trattare le corrent d ngresso ed uscta come arabl ndpendent, mentre le tenson d ngresso ed uscta come arabl dpendent. In questo caso legam tra arabl ndpendent e arabl dpendent aranno dmenson d ammettenze y. S a qund: = = y y + y + y o, n rappresentazone equalente ma n termn matrcal: y = y y y Altra possbltà è, ad esempo, data dallo sceglere come arabl ndpendent ed mentre come arabl dpendent ed. In tal caso coeffcent della matrce d legame anno dmenson ce possono essere sa d mpedenze, sa d ammettenze, sa numer pur. Per questa ragone tal coeffcent engono defnt brd (ybrd) ed ndcat con la lettera : = = + + o, n rappresentazone equalente ma n termn matrcal: = Nello studo de transstor lo scema equalente soltamente adottato è quello ce fa rcorso all uso de parametr brd. Applcando tale scematzzazone alle tre possbl confgurazon per crcut a transstor, emetttore comune (E), base comune (B), collettore comune (), s anno tre dstnte possbltà d defnzone del set de parametr brd. S adotta qund la conenzone d porre due pedc d dentfcazone de parametr, l prmo col sgnfcato d desgnare l tpo d legame: (nput) ossa tra le due grandezze d ngresso o (output) ossa tra le due grandezze d uscta

8 f (forward) ossa una grandezza d uscta rspetto ad una grandezza d ngresso r (reerse) ossa una grandezza d ngresso rspetto ad una grandezza d uscta l secondo pedce con l sgnfcato d desgnare l tpo d confgurazone crcutale: e (emtter) aldo per la connessone ad emetttore comune b (base) aldo per la connessone a base comune c (collector) aldo per la connessone a collettore comune Nel caso partcolare della tpologa del crcuto ad emetttore comune, per la quale: be ; b ; ce ; c s a: be = eb + re c = feb + oe ce ce eq. 7 Dalla defnzone stessa de parametr brd può essere rcaato l crcuto equalente d un transstore. Nel caso della tpologa ad emetttore comune, ad esempo, per la quale algono le relazon rportate nella eq. 7, la tensone d ngresso be è par alla somma delle tenson e b ed re ce, ce formano percò delle tenson poste n sere. La corrente d uscta c è par nece alla somma delle due corrent fe b ed oe ce, ce formano percò l parallelo d corrent. fgura Stado amplfcatore con BJT n confgurazone E È d seguto rportato lo scema d uno stado amplfcatore con BJT n confgurazone ad emetttore comune (E)

9 Fgura 9 Dalla legge d Krcoff applcata alla magla (d polarzzazone) d uscta del BJT s a: V = I R + V equazone utle per traccare la retta d carco sul grafco delle caratterstce d uscta del transstore. Il punto d laoro può essere determnato grafcamente dall ntercetta d questa retta con le cure caratterstce del transstore una olto noto l alore d corrente I B. Quest ultmo può essere faclmente rcaato: V VBE I = B S è posto l trmmer R al posto della resstenza d polarzzazone d base per consentre d ararne l alore ed aere un rscontro sulle caratterstce spermental d funzonamento del crcuto..6.. Anals tramte lo scema equalente a parametr brd b B R E o R e oe R c R o β b 0 E A ttolo d esempo, s ogla determnate l alore d amplfcazone A dello stado sapendo ce: per l transstore: e =.5kΩ, fe =70, oe =5μS, re =0 R =0kΩ, R u =R //R o =4.7kΩ Per rsolere l crcuto s potzza ce alle frequenze d laoro condensator sano de corto crcut. qund A = con alor numerc propost denta: o b = e R = feb = + oer + oe R o = o = o fe e R R + oe R fe e A 90

10 ... Scema completo In questa confgurazone è stata aggunta una capactà E n parallelo alla resstenza d emetttore R E, n tal modo l effetto della resstenza lo s ottene quando lo s desdera ossa per polarzzazone statca, mentre per le frequenze d laoro tale resstenza è opportunamente cortocrcutata dalla capactà. Per studare tale crcuto è utle rcorrere allo scema equalente per l transstor, per cu, alle frequenze d nteresse, denta: R s B b o R b e oe R c R o β b 0 E A ttolo d esempo, s determnno alor d amplfcazone n tensone, A, n corrente, A, la resstenza d uscta Ru dello stado sapendo ce: per l transstore: e =3kΩ, fe =50, oe =50μS, re =0 R =0kΩ, R u =R //R o =4.7kΩ Per rsolere l crcuto s potzza ce alle frequenze d laoro condensator sano de corto crcut (n questo caso qund la resstenza RE sarà by-passata da un corto). Per le component ncremental R ed R sono n parallelo, così come lo sono R ed R o. La resstenza d ngresso R dello stado è qund R = R // R // e. kω qund: = R + R s R be = 0. 8 Rs + R

11 be b = e la conduttanza totale collettore-emetttore G ce è par a: Gce = oe + + R Ro qund: fe o b A = = 49 Gce Per le corrent: 0 = o A = o Ro 69 La resstenza d uscta R u, defnta come la resstenza sta a cap della resstenza d carco R o, guardando erso l amplfcatore: R u =R c // oe =3.3kΩ