Curva caratteristica del transistor 1
AMPLIFICATORI Si dice amplificatore un circuito in grado di aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso. Un buon amplificatore deve essere lineare, nel senso che deve amplificare tutte le forme d'onda presenti in ingresso nello stesso modo, cioè moltiplicare l'ampiezza di ognuna per un numero costante, pari al guadagno, per tutte le frequenze. Un amplificatore si dice amplificatore di tensione se amplifica la tensione; si dice amplificatore di corrente se amplifica la corrente. Occorre precisare che l'amplificatore non è un generatore, infatti l'amplificazione avviene a spese del generatore di tensione che alimenta il circuito. Un amplificatore si dice per piccoli segnali quando l'ampiezza della forma d'onda applicata in ingresso è molto piccola e la potenza in uscita è dell'ordine delle centinaia di mw. Quando, invece, la potenza fornita in uscita è dell'ordine dei watt si dice che l'amplificatore è di potenza. Un amplificatore si dice di bassa frequenza se amplifica le frequenze basse, cioè le frequenze audio, udibili dall'orecchio umano; le frequenze audio vanno da 20 Hz a 20.000 Hz. Un amplificatore si dice ad alta frequenza quando amplifica frequenze superiori ai 20 khz. Ciò è dovuto al fatto che un amplificatore, a causa dei limiti della tecnica, è selettivo, cioè amplifica una ristretta gamma di frequenze; di conseguenza per ogni gamma di frequenze di lavoro si costruisce un idoneo amplificatore. 2
Ogni amplificatore può essere visto come un quadripolo, cioè un blocco circuitale con un ingresso e una uscita. Ha un suo guadagno di tensione, dato dalla formula: A v = v u / v i ; e un suo guadagno di corrente, dato dalla formula: A i = i u / i i Ha, inoltre, una sua resistenza di ingresso, data dalla formula R i = v i / i i, e una sua resistenza di uscita, data dalla formula: R u = v u / i u. Si dice rumore un insieme di frequenze diverse, presenti in uscita e non presenti in ingresso; in pratica il rumore viene generato dall'amplificatore ed è un difetto dell'amplificatore stesso; ha un origine interna, quando proviene dai componenti utilizzati, oppure una origine esterna, come disturbi atmosferici, di interruttori, di circuiti vicini; in tal caso si chiama disturbo. Si dice distorsione di un amplificatore il fenomeno per cui tra segnale di ingresso e segnale di uscita vi è una variazione non prevista. La distorsione può essere distorsione di frequenza, quando vi sono in uscita frequenze non presenti in ingresso; ciò è dovuto al fatto che non tutte le frequenze vengono amplificate nello stesso modo. Si dice distorsione di fase quando tra le varie frequenze in uscita vi è una differenza di fase diversa rispetto a quella presente in ingresso; in pratica l'amplificatore non sfasa le varie frequenze dello stesso angolo. Si dice distorsione di non linearità il fatto di avere una deformazione della forma d'onda tra ingresso e uscita. Ciò è dovuto al fatto che essendo il segnale di ingresso molto forte il transistor si sposta in una zona non lineare delle caratteristiche, per cui si hanno amplificazioni diverse, o addirittura saturazione, nelle diverse parti che costituiscono la forma d'onda. Consideriamo i seguenti diagrammi che mostrano come il segnale applicato in ingresso influisce sul punto di riposo del BJT P 1, P 3 : 3
Applicando un segnale in ingresso (curva in basso a sinistra), si ha una variazione di vbe-ib (tra i punti A e B) che comporta in uscita una variazione della vce-ic (curva a destra in alto, punti E ed F) Applicando un segnale sinusoidale in ingresso, possiamo vedere, guardando la caratteristica di ingresso, che la v BE aumenta o diminuisce, seguendo il segnale; contemporaneamente anche la i B segue l'andamento del segnale. 4
Riportando l'andamento della i B sulla retta di carico delle caratteristiche di uscita vediamo che il punto di lavoro si sposta, sempre però sulla retta di carico, determinando sia una variazione di i C che della v CE. Vediamo che la v CE è sfasata di 180 rispetto alla v BE ed inoltre è amplificata; mentre la i C è in fase con la i B, ma amplificata. Poiché il punto di lavoro è stato scelto sul tratto lineare delle caratteristiche, la distorsione è ridotta al minimo. CONFIGURAZIONE AD EMETTITORE COMUNE Un amplificatore si dice a emettitore comune quando l'emettitore è comune sia all'ingresso che all'uscita del segnale. Consideriamo il seguente schema: Perché la connessione sia ad emettitore comune occorre collegare l'emettitore a massa; per ottenere ciò non si può eliminare il resistore R E che serve per la stabilizzazione del circuito, ma si usa un condensatore C E collegato in parallelo a R E ; essendo il condensatore un circuito aperto per la componente continua del segnale, il punto di lavoro a riposo, cioè in assenza di segnale, non viene spostato dal condensatore. Quando si applica un segnale di ingresso il condensatore si comporta come un corto circuito per il segnale e collega l'emettitore a massa; pertanto l'emettitore è in comune sia all'ingresso che all'uscita, ai fini del segnale. Il condensatore di ingresso C i ha il compito di applicare il segnale di ingresso sulla base del transistor, bloccando la componente continua; infatti, se colleghiamo direttamente il generatore di segnale sulla base il punto di lavoro si sposta, in quanto varia la corrente che passa nel circuito di polarizzazione. Analogamente il condensatore C u trasferisce il segnale all'uscita dell'amplificatore e blocca la componente continua. 5
Nella configurazione ad emettitore comune il segnale di uscita è sfasato di 180 rispetto al segnale di ingresso; il guadagno di tensione è molto grande; il guadagno di corrente è molto grande; la resistenza di ingresso è piccola; la resistenza di uscita è grande. Il funzionamento del BJT come interruttore Il funzionamento (come interruttore) è il seguente: Se la corrente entrante nella Base (IB) è nulla, anche la corrente entrante nel Collettore IC e quella uscente dall'emettitore IE sono nulle. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta quindi di un comportamento simile ad un interruttore aperto. Se la corrente entrante nella Base è "sufficiente", possiamo avere una corrente IC entrante dal Collettore ed uscente dell'emettitore. La tensione tra C ed E (VCE) è molto bassa, spesso approssimata a 0 V. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta quindi di un comportamento simile ad un interruttore chiuso. Osservazioni A differenza di un normale interruttore, la corrente può scorrere tra Collettore ed Emettitore ma non viceversa (si noti il verso della freccia sull'emettitore) La corrente di Base può essere solo entrante (si noti la freccia sull'emettitore) La tensione VCE è praticamente costante e indipendente dalla corrente del Collettore. A seconda del tipo di transistor varia tra 0,2 V e 1 V circa, spesso trascurabile La corrente di Base è molto più piccola di quella di Collettore, in genere 10-100-1000 volte minore, a seconda del tipo di transistor. Per questo si dice che un transistor amplifica la corrente di Base. O anche che: IE IC >> IB La tensione VBE è praticamente costante e indipendente dalla corrente del Base e spesso vale 0,7 V (a volte quindi trascurabile) Se il transistor si comporta come un interruttore chiuso si dice che è in saturazione Se il transistor si comporta come un interruttore aperto si dice che è in interdizione La massima corrente di Collettore, a secondo del tipo di transistor, può variare da 0,1 a 25 A e più La massima tensione di funzionamento (tensione di rottura), a secondo del tipo di transistor, varia da 10 a 1200 V e più Un modello di transistor è identificato da una sigla alfanumerica. Per esempio BC108, 2N3055, TIP41 La sigle usate per le porte logiche TTL significa Transistor Transistor Logic perché internamente sono costituite da transistor Applicazione Accensione di una lampadina (100W, 100V, quindi 1 A) comandata da una porta logica. Si ricordi che una porta logica fornisce in uscita al massimo 10-20 ma. 6
Se l'uscita della porta logica è alta (tensione VH, per esempio 5 V) allora nella resistenza e quindi nella Base abbiamo una corrente; dall'equazione di Kirchhoff: VH RB IB 0,7 = 0 IB = (VH - 0,7) / RB Se questa corrente è "sufficiente" (per esempio, in questo caso, > 10 ma), il transistor si comporta come un interruttore chiuso e nella lampadina passa corrente (è quindi accesa). Se l'uscita della porta logica è bassa (tensione VL, per esempio 0 V) allora nella resistenza e quindi nella Base non abbiamo alcuna corrente; dall'equazione di Kirchhoff: VL RB IB 0,7 = 0 (attenzione IB sempre 0 ) Quindi il transistor si comporta come un interruttore aperto e nella lampadina non passa corrente (è quindi spenta). 7