ELETTRONICA II Caratteristiche I C,V CE Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino I C zona attiva Parte A: Transistori in commutazione Lezione n. 2 - A - 2: Transistori BJT in commutazione zona di saturazione zona di interdizione Parametro I B V CE Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 26-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 27-27/05/2009 Transistori in commutazione - 2 Richiami sulle caratteristiche I C,V CE dei transistori bipolari a giunzione (BJT) Zona di saturazione e di interdizione Parametri inerenti l uso in commutazione Esempio: comando di carico ON/OFF Continua l analisi del comportamento in commutazione del BJT; dopo il comportamento nella zona di interdizione esaminiamo la zona di saturazione La zona di saturazione corrisponde alla regione con V CE molto piccola (da pochi mv ad alcune centinaia di mv). Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. ## - // Page 26 Page 27
Transistore BJT in saturazione (ON) Circuito equivalente per BJT ON giunzioni BE e BC polarizzate direttamente tensione V CE = V CE(sat) ~ nulla corrente di collettore I C imposta dal circuito esterno corrente di base I B imposta dal circuito esterno valore di β variabile (β forzato) V AL R C C I B B E IC V CE ~ 0 Interruttore CHIUSO C E SATURAZIONE Tensione di saturazione C E V CE(sat) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 28-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 29-27/05/2009 In saturazione entrambe le giunzioni BE e BC sono polarizzate direttamente (lez. 22 di Elettronica I). Il termine ON indica interruttore chiuso, cioé regione di saturazione; OFF indica interdizione (interruttore aperto). Dato che in saturazione V BE e V CE sono praticamente costanti (rispettivamente circa 0,6 V e 0,1 V), sia la corrente di base che quella di collettore sono controllate dal circuito esterno. Nel funzionamento in zona attiva, il rapporto tra I C e I B é un parametro del transistore (β o h FE ). In caso di saturazione invece il rapporto I C /I B é imposto dal circuito esterno; si dice che il transistore lavora con β forzato. Il rapporto tra corrente di collettore e corrente di base non é piú un parametro del transistore, ma dipende dal circuito esterno. La V CE é molto bassa; in prima approssimazione, il circuito equivalente tra C ed E di un transistore bipolare in saturazione é un cortocircuito. Anche qui faremo riferimento al interruttore come elemento per modellare il transistore sia in interdizione che in saturazione; in questo secondo caso l interruttore é chiuso. Volendo un modello meglio approssimato che tiene conto della tensione residua V CE(sat),, il circuito equivalente tra C ed E é un generatore di tensione. Dato che V CE(sat) dipende poco dalla corrente di collettore I C, la resistenza serie é molto bassa e solitamente non viene indicata. Nota: nel cartello per il generatore V CE(sat) viene indicato un verso della corrente. Dovrebbe invece essere indicato il segno della tensione (positivo verso l alto). Page 28 Page 29
Valore del β in saturazione Per un transistore bipolare in linearita : I C /I B = β β circa costante: β = β 0 Una sola delle correnti e imposta dal circuito Per un transistore bipolare in saturazione sia I C che I B sono imposte dal circuito esterno; β non e piu costante Perche il transistore sia in saturazione deve essere I B > I C /β 0 caratteristiche del 2N2222 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 30-27/05/2009 Nel transistore in linearitá I C e I B sono legate dal β. Fissando una delle due correnti (generalmente la I B ), l altra (in questo caso la I C ), rimane bloccata di conseguenza. Abbiamo invece visto che nel transistore in saturazione queste due correnti sono determinate dal circuito esterno e indipendenti (entro certi limiti). Agendo sul circuito esterno é possibile fissare sia I B che I C., ed il loro rapporto non é un parametro del transistore. Per portare il transistore in saturazione occorre imporre una corrente I B > I C /β. Quanto piu alta é la corrente di base, tanto meglio il transistore é saturato. Il Millmann riporta le caratteristiche abbreviate (sufficienti per l uso in linearitá) in appendice. Nella tabella sono presenti le caratteristiche complete. Il β equivale al parametro h FE. Notiamo che per il β il costruttore indica un valore minimo e un valore massimo anche molto diversi; il β é un parametro poco controllabile, e il costruttore generalmente garantisce solo il valore minimo. Il beta dipende dalla corrente di collettore (righe diverse della tabella). Per avere garanzia che il transistore vada in saturazione, il rapporto I C /I B deve essere inferiore al β minimo. Page 30 Page 31
Da cosa dipende V CE(sat)? Diminuisce al crescere del β forzato (a pari I C, diminuisce aumentando I B ) Ordine di grandezza (transistore di bassa potenza): β V CE(sat) caratteristiche del TIP 75 100 280 mv 50 100 mv 1 28 mv (I C = I B ) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 32-27/05/2009 Ricordando la struttura del modello di Ebers-Moll, troviamo che la V CE(sat) nasce come differenza tra le catute di tensione su due diodi contrapposti, entrambi polarizzati in zona diretta. Aumentando la corrente di base (cioé avvicinandola alla corrente di collettore), il transistore viene portato maggiormente in saturazione, e cala la tensione tra collettore ed emettitore (V CE(sat) ). La condizione di massima saturazione (e minima V CE(sat) ) si ha con I B = I C. Questo corrisponde alla situazione di β = 1 nella tabella riportata nel cartello. Queste sono caratteristiche di un transistore di media potenza (TIP 66). Il primo diagramma riporta l andamento del β in funzione della corrente di collettore. Il secondo diagramma riporta l andamento della V BE e della V CE(sat) ). I dati sono ricavati con il transistore fortemente in saturazione (β forzato di 2,5). Nota: per ottenere basse V CE(sat), si usano transistori con emettitore e collettore scambiato (β é piú piccolo, e la corrente di base é piú prossima a quella di collettore). Normalmente la corrente di collettore é fissata dall applicazione; il progettista interviene sulla corrente di base. Page 32 Page 33
Transistori in commutazione Richiami sulle caratteristiche I C,V CE dei transistori bipolari a giunzione (BJT) Zona di saturazione e di interdizione Parametri inerenti l uso in commutazione Esempio: comando di carico ON/OFF Transistori in commutazione: dove? il transistore in commutazione si comporta come un interruttore; questo consente: il pilotaggio di carichi accesi/spenti (ON/OFF) con bassa dissipazione sull elemento attivo la realizzazione di CIRCUITI DIGITALI (porte logiche, registri,...) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 34-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 35-27/05/2009 Dopo l analisi del comportamento di un transistore bipolare usato in commutazione, vedremo nei prossimi cartelli alcuni esempi di impiego. Il transistore usato nelle zone di saturazione e interdizione svolge la funzione di interruttore. I transistori in commutazione sono usati per pilotare carichi che debbano essere solo accesi o spenti, e per realizzare circuiti logici. Rispetto ad un interruttore meccanico hanno il vantaggio di non avere parti in movimento, soggette ad inerzia e usura, ed é in grado di reagire in tempi piú rapidi. L impiego del transistore in commutazione per realizzare circuiti logici viene approfondito nel secondo gruppo di lezioni. Page 34 Page 35
Esempio 1 Pilotaggio di un carico (lampadina) ON/OFF V AL V AL Lampadina accesa (ON) Il transistore e in SATURAZIONE V CE = V CES ~ 0 V AL I C ~ V AL /R L R L ACCESA (ON) C SPENTA (OFF) C P D = V CE * I C ~ 0 R B I B I C E E V BB Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 36-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 37-27/05/2009 In questo cartello compare, come esempio di impiego di un transistore in commutazione, il circuito per comandare una lampadina. Nello schema e presente un interruttore, che puó essere realizzato con un transistore utilizzato in commutazione, collegato tra i morsetti C ed E. Questo é un circuito che permette di accendere e spegnere un carico di bassa potenza (ad esempio una lampadina) utilizzando un transistore bipolare come interruttore. In questo schema il transistore viene portato in saturazione facendo circolare corrente di base nella maglia V BB -R B -V BE. In questa condizione la tensione V CE é praticamente nulla (piú precisamente pari alla V CE(sat), quindi poche decine di mv). La corrente di collettore é determinata dal carico (resistenza equivalente della lampadina). La potenza dissipata é in prima approssimazione pari al prodotto I C V CE, quindi praticamente nulla (V CE =0). Nota: per un calcolo piú preciso occorre tener conto della corrente di base I B (che in saturazione non é piú trascurabile rispetto alla I C, dato il basso valore del β). La dissipazione dovuta alla I B é I B V BE. Page 36 Page 37
Come ottenere la saturazione Lampadina spenta (OFF) I B > I C /β 0 I B = (V BB V BE )/R B Il transistore e in INTERDIZIONE V BB V BE > R B I C /β V CE ~ V AL bisogna far circolare una corrente di base abbastanza alta, agendo sulla tensione di ingresso: V BB > V BE + R B I C /β o sulla resistenza nella maglia di base: R B < (V BB V BE )β 0 /I C I C ~ 0 P D = V CE * I C ~ 0 V BB R B V AL R L I B I C Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 38-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 39-27/05/2009 Per garantire che il transistore sia in saturazione, la corrente di base deve essere abbastanza elevata (molto piú alta di I C /β ). Questa condizione si otteniene agendo sulla maglia di base. Il circuito di riferimento é quello giá visto in precedenza. Questo e lo stesso circuito, ma stavolta il transistore viene portato in interdizione, e la lampadina é spenta. La corrente I C é praticamente nulla (piú precisamente pari alla I C0 ). La caduta di tensione su R L é nulla, e la tensione tra collettore ed emettitore é pari alla tensione di alimentazione V AL. La corrente di base puó essere controllata in sede di progetto agendo su due parametri del circuiito: la tensione V BB presente nella maglia di ingresso (deve essere abbastanza alta) la resistenza R B, sempre nella stessa maglia (deve essere abbastanza bassa). La potenza dissipata é parti al prodotto I C V CE, ed é praticamente nulla (in questo caso il termine che annulla il prodotto é I C =0). Anche in questo caso si porta il transistore nella condizione voluta agendo sulla maglia di base. Nota: per un calcolo piú preciso occorrerebbe tener conto della corrente di collettore I C0. Nei transistori al silicio, questa corrente é peró tanto bassa da non determinare dissipazione significativa. Page 38 Page 39
deve essere: Come ottenere l interdizione I B = 0 V BB < V BE ~ 0,6 V Sono accettabili V BE negative, fino ad alcuni volt (la tensione di rottura inversa per la giunzione BE nei transistori al silicio e di circa 5-7 V) Accensione a potenza intermedia Esempio: V AL = 12 V, R L = 120 Ω con lampadina a potenza intermedia: V CE = V L = V AL /2 = 6 V I C = I L = 6 V/R L = 50 ma la potenza dissipata nel transistore e : P D = V CE I C = 0,3 W Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 40-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 41-27/05/2009 Per garantire che il transistore sia in interdizione, la corrente di base deve essere nulla. Nel circuito in esame questo si puo ottenere agendo principalmente sulla tensione V BB, che puó essere: Nulla o inferiore alla V BE (0,5 V circa): non circola corrente nella maglia; Negativa: la giunzione BE é polarizzata inversamente, e quindi non scorre corrente di base. Dobbiamo quindi inserire nella maglia di base un generatore di tensione V BB molto bassa o leggermente negativa. Applicando tensioni di polarizzazione inversa alla maglia di base (tensioni negative per transistori NPN), bisogna evitare di superare la tensione di rottura inversa della giunzione stessa (generalmente prossima a 5 V). Negli esempi precedenti il carico é acceso o spento, e la potenza dissipata sull elemento di comando é sempre praticamente nulla. Per fornire al carico una potenza intermedia occorre portare il transistore in zona attiva, regolando la corrente di base in modo opportuno. In questo caso sia I C che V CE sono diverse da 0, e la potenza dissipata nel transitore diventa significativa. I valori indicati nel cartello si riferiscono ad un carico con resistenza equivalente di 120 Ω, alimentato a metá tensione (questo corrisponde a un quarto della potenza massima). Nota: la condizione V CE = V AL /2 corrisponde alla massima potenza dissipata sul transistore. Page 40 Page 41
Potenza dissipata Con comando ON/OFF V CE oppure I C sono nulle; quindi la potenza dissipata dal transistore e nulla. Con comando in linearita o analogico, sia V CE che I C sono diverse da 0 Per V L = V AL /2 I L = V AL /2R L P L = (V AL ) 2 /4R L la potenza dissipata e rilevante Comando a PARZIALIZZAZIONE la lampadina e alternativamente accesa/spenta I C o V CE sono alternativamente nulle, quindi la potenza dissipata nel transistore e minima la potenza sul carico e variabile con continuita ON OFF V CE = 0 I C = 0 V CE = 0 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 42-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 43-27/05/2009 La potenza dissipata sull elemento di comando (transistore) viene trasformata in calore. Il vantaggio del controllo tipo ON/OFF (con interruttore) é proprio che la potenza dissipata sull elemento attivo di comando (il transistore) é sempre nulla, perché sono nulle la tensione oppure la corrente nel transistore. Facendo invece lavorare il transistore in zona attiva, cioé fuori delle regioni di saturazione ed interdizione, la potenza da dissipare diventa considerevole. Per variare la potenza erogata ad un carico limitando la dissipazione dell elemento attivo di controllo viene utilizzata la tecnica della parzializzazione. La parzializzazione consiste nell alternare cicli acceso/spento secondo un rapporto variabile. La potenza erogata sul carico puó essere variata con con continuitá modificando il rapporto ON/OFF. La potenza dissipata nel regolatore é minima, in quanto una delle due variabili (tensione o corrente) é alternativamente nulla. Nota: con la regolazione a parzializzazione viene dissipata potenza esclusivamente nei transitori di commutazione. Questa tecnica é usata anche negli alimentatori con regolazione a commutazione (switching). Page 42 Page 43
Riepilogo caratteristiche di BJT zone di saturazione e interdizione come ottenere saturazione e interdizione esempio: comando di carico ON/OFF Esercizio: Progettare il circuito di comando per un transistore bipolare in commutazione dati - la corrente assorbita dal carico; - il β minimo del transistore; - l escursione di tensione del segnale di comando. potenza dissipata da un comando ON/OFF Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 44-27/05/2009 Page 44 Page 45
ELETTRONICA II Riferimenti al testo Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino Parte A: Transistori in commutazione Lezione n. 3 - A - 3: Transistori MOS in commutazione Millman-Grabel Cap. 4: Field Effect Transistor 4.12: the FET as a switch Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 46-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 47-27/05/2009 Transistori in commutazione - 3 Richiami sulle caratteristiche I D,V DS dei transistori a effetto di campo (MOS, FET) Zona di saturazione e zona di interdizione Parametri inerenti l uso in commutazione Esempio: invertitore logico Esperienza di laboratorio con BJT e MOS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. ## - // Page 46 Page 47
Caratteristiche I D,V DS Transistore MOS in interdizione (OFF) zona di saturazione I D zona di interdizione Parametro V GS V DS tensione V GS < V TH (in modulo), di conseguenza: canale non formato (o completamente chiuso) corrente di drain I D ~ nulla tensione V DS imposta dal circuito esterno Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 48-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 49-27/05/2009 Le caratteristiche I D, V DS di un transistore MOS sono giá state presentate nel Modulo di Elettronica I (Lezione n. 20). Esamineremo in questa lezione il funzionamento e le applicazioni dei transistori MOS operanti nelle regioni di SATURAZIONE (V DS molto piccola, prossima a 0 V) e INTERDIZIONE (I D molto piccola, prossima a 0). Nel transistore MOS in interdizione il canale é completamente chiuso (o non formato, nei MOS a formazione di canale). Di conseguenza: la corrente di Drain I D é nulla, la tensione V DS é imposta dal circuito esterno Inizierno l analisi dalla zona di interdizione, che corrisponde al ramo di caratteristiche di uscita per I D = 0 Page 48 Page 49
Circuito equivalente per MOS OFF Caratteristiche I D,V DS V AL INTERDIZIONE I D R D I D ~ 0 D Interruttore APERTO D Corrente di perdita D zona di saturazione Parametro V GS G V GS = 0 S V DS = V AL S S I D0 zona di interdizione V DS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 50-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 51-27/05/2009 Nel Drain non scorre corrente, quindi non si ha caduta sulla resistenza R D, e la V DS é uguale alla tensione di alimentazione. Continua l analisi del comportamento in commutazione del MOS; dopo il comportamento nella zona di interdizione esaminiamo la zona di saturazione. Per un transistore MOS in interdizione il circuito equivalente tra Drain e Source é in prima approssimazione un circuito aperto; viene rappresentato con un interruttore aperto perché lo stesso elemento (interruttore) ci consente di modellare il comportamento del transitore anche in saturazione. La zona di saturazione corrisponde alla regione con canale completamente aperto (o formato). Per l uso del MOS come interruttore, si lavora sempre con V DS molto piccola (da pochi mv ad alcune centinaia di mv). Volendo un modello piú preciso, possiamo inserire tra D ed S un generatore di corrente (I D0 nella figura, indicata spesso come I OFF ). Questa corrente e legata alla corrente di perdita che scorre nel canale chiuso. Il circuito equivalente é analogo a quello definito per BJT, perché il comportamento dei due dispositivi é molto simile. Page 50 Page 51
Transistore MOS in saturazione (ON) tensione V GS > V TH, di conseguenza: corrente di drain I D imposta dal circuito esterno resistenza equivalente tra Drain e Source (R ON ) molto piccola tensione V DS molto bassa (~ nulla) canale completamente formato (aperto) Circuito equivalente per MOS ON V AL R D D I D G S V DS ~ 0 V GS > V TH Interruttore CHIUSO D S SATURAZIONE Resistenza di conduzione D R ON S Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 52-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 53-27/05/2009 In saturazione la V GS é maggiore della tensione di soglia V TH. Dato che in saturazione V DS é praticamente costante (prossima a 0 V), la corrente di Drain é controllata dal circuito esterno. La differenza di tensione tra D e S é molto piccola, quindi in prima approssimazione, il circuito equivalente tra D e S per un transistore MOS in saturazione é un cortocircuito (interruttore chiuso). Volendo definire un modello piú preciso, occorre tener conto che la tensione residua V DS é proporzionale alla corrente I D ; il circuito equivalente é quindi una resistenza, indicata con R ON nel cartello. Page 52 Page 53
Da cosa dipende R ON? Tensione di soglia V TH per J-FET Funzione dei parametri tecnologici del transistore (diminuisce al crescere della sezione del canale) Ordini di grandezza: MOS interni a circuiti integrati: MOS di interfaccia (I/O pad): MOS, J-FET discreti: MOS, J-FET di potenza: pochi KΩ 20-100 Ω 10-200 Ω 0,1-10 Ω V P I D I DSS V GS V GS < V P I D = 0 V GS > V P I D > 0 V GS = 0 I D = I DSS V TH = V P Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 54-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 55-27/05/2009 La resistenza R ON é legata alle dimensioni del canale. Transistori piú grandi (con sezione trasversale del canale piú ampia), hanno R ON piú bassa. Le transcaratteristiche in questi cartelli si riferiscono a dispositivi a canale N; per dispositivi a canale P é sufficiente ribaltare gli assi V e I. I transistori MOS di potenza, con canale ampio (per gestire correnti forti), hanno R ON anche molto bassa, fino a frazioni di Ω. Per un JFET il canale é giá formato e rimane aperto con V GS = 0. Questa é la condizione di saturazione. La massima corrente che puó scorrere nel canale in queste condizioni é la I DSS. É lo stato ON. Nota: aumentando la sezione di canale aumentano anche le dimensioni dell elettrodo di gate, e di conseguenza la capacitá parassita (nei MOS e FET di potenza l incremento é fino a tre ordini di grandezza rispetto ad un MOS piccolo ). Se si vuole una commutazione veloce, questi transistori vanno pilotati con circuiti appositamente progettati. Aumentando V GS (in modulo; il segno é quello della tensione di pinch-off V P ), il canale viene via via chiuso, fino ad arrivare all interdizione completa per V GS = V P. Questo é lo stato OFF. Page 54 Page 55
V TH per MOS a formazione di canale V TH per MOS a svuotamento Comportamento simile al J-FET I D V GS = 0: I D = 0 V GS < V TH : I D = 0 V GS > V TH : I D > 0 I D V GS < V TH : I D = 0 V GS > V TH : I D > 0 V TH V GS V TH V GS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 56-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 57-27/05/2009 Nel caso MOS a formazione di canale (enhancement) la transcaratteristica si sviluppa nel primo quadrante. Per V GS = 0 il canale non é formato e quindi non si ha conduzione (I D = 0). É lo stato OFF. Aumentando V GS fino a superare la tensione di soglia V TH inizia la formazione del canale e scorre una corrente I D ( stato ON). Per i MOS a svuotamento (depletion) il comportamento (cartello successivo) é analogo a quello del FET. La tensione di soglia V TH, che corrisponde all inizio della conduzione, corrisponde alla V P del FET. Notiamo la differente posizione della tensione di soglia per MOS enhancement e MOS depletion (o FET). Page 56 Page 57
Esempio da data sheet 3N163 (p-channel) - Millman, App. B - 5 MOS uso generale (Amplificatore, switch) per V GS = - 20 V ;R ON = 250 Ω (max) BS170 (n-channel) - laboratorio MOS di media potenza (I D = 0,5 A) per V GS = + 10 V; R ON = 5 Ω (max) caratteristiche del BS170 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 58-27/05/2009 Da notare che il 3N163 (caratteristiche nel testo) é un dispositivo a canale P, quindi le polaritá di tensioni e correnti sono invertite rispetto a quanto visto in precedenza. La tensione di soglia é negativa (- 20 V), ed il transistore va in conduzionie per tensioni V GS inferiori a - 20 V (maggiori in modulo). Il BS170 (caratteristiche nella pagina seguente), é un MOS di media potenza; i valori di resistenza in conduzione sono molto piú bassi rispetto al caso precedente. Page 58 Page 59
Transistori in commutazione - 3 Richiami sulle caratteristiche I D,V DS dei transistori a effetto di campo (MOS, FET) Zona di saturazione e zona di interdizione Parametri inerenti l uso in commutazione Esempio: invertitore logico (riferimento a MOS con formazione di canale) Esempio 2 Invertitore logico (NMOS) V AL V IN = 0: V OUT = V AL R L D I D G V IN V GS S VOUT V IN = V AL : V OUT = 0 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 60-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 61-27/05/2009 Dopo l analisi del comportamento di un transistore MOS usato in commutazione, nei prossimi cartelli vedremo un esempio di impiego. L esempio riguarda l uso del MOS per realizzare un circuito logico elementare (invertitore). Il MOS utilizzato é a formazione di canale. A differenza dell esempio precedente, relativo al BJT, in questo caso le potenze in gioco, sia sui carichi che sul transistore, sono molto basse. La tensione d ingresso per l invertitore é V IN, che viene applicata direttamente come V GS al transistore. L uscita (V OUT ) é prelevata dal morsetto di Drain, collegato alla tensione di alimentazione V AL tramite la resistenza R L. Se la corrente di Drain é nulla, l uscita V P si porta alla tensione V AL (stato logico alto). Se il transistore é in saturazione, dato che R L >> R ON, l uscita si porta ad un potenziale prossimo a massa (stato logico basso). Page 60 Page 61
V TH per MOS a formazione di canale Esempio 2 I D V TH V IN = 0 V GS V GS = 0: I D = 0 V GS < V TH : I D = 0 V GS > V TH : I D > 0 V IN = V AL Invertitore logico (NMOS) V IN = 0: V GS < V TH V AL R L D I D G V IN V GS S VOUT I D = 0: V OUT = V AL V IN = V AL : V GS > V TH V DS = 0: V OUT = 0 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 62-27/05/2009 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 63-27/05/2009 Analizziamo il comportamento del circuito osservando come si posizione il punto di funzionamento sulla trascaratteristica del transistore. Quando la tensione di ingresso V IN é nulla (o inferiore a V TH ), la corrente di Drain é nulla e quindi l uscita viene portata a livello alto dalla resistenza R L. Quando la tensione di soglia ha un valore prossimo o superiore a V TH, il canale é aperto (o formato), scorre corrente di Drain, e l uscita si porta a livello basso (tensione prossima a massa). Ricordando che tensioni prossime a massa (0 V) corrispondono allo stato logico basso, e tensioni prossime a V AL allo stato alto, possiamo definire l operatore logico realizzato dal circuito. Per quanto riguarda gli stati logici si ha: ingresso uscita basso alto alto basso Il circuito esegue l operazione logica di negazione; é un invertitore logico (inverter). Page 62 Page 63
LABORATORIO Zone di funzionamento di BJT zone di saturazione e interdizione Zone di funzionamento di MOS Comando ON/OFF di lampadina con BJT verifica di V CES e I C (beta forzato) variazione di potenza a parzializzazione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 64-27/05/2009 Questa esperienza di laboratorio comprende due parti: Nella prima parte viene verificato il comportamento di transistori BJT e MOS nelle tre zone corrispondenti al funzionamento in linearitá e commutazione ON-OFF. Nella seconda parte viene ripreso l esempio di impiego come comando ON/OFF di un carico (lampadina), verificando le diverse condizioni di funzionamento. Il primo esempio é un transistore pilotato in base da un generatore di segnali. Livello di uscita del generatore e resistenza serie sono tali da determinare una corrente di base variabile tra 0 e 450 µa. Sull oscilloscopio compaiono le forme d onda di ingresso e di uscita. Per tensioni di ingresso superiori a 0,6 V circa il transistore entra in conduzione. Per ingresso superiore a 1,6 V circa, il transistore entra in saturazione (V CE praticamente costante e prossima a 0). Page 64 Page 65
Circuito 1: BJT Circuito 2: NMOS I B MAX =(5-0,6)V/10kΩ=0,44mA I CMAX =5V/220Ω=22.7mA β FMIN =22,7/0,44=52 V AL R C V AL R L 220Ω per 2N2222A: V β MIN= 75 @ I C=10mA BB β MIN=100 @ I C=100mA R B I B V BE I C V CE V IN +5V 0V t BS170 D G V IN V GS I D S VOUT Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - // Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - // La massima corrente di collettore (con il transistore il saturazione) é di 22 ma. Il β forzato in saturazione é di circa (il β in linearitá vale 100). Per analizzare il comportamento di un MOS si usa lo stesso circuito base. La tensione di controllo (identica a quella utilizzata nell esperienza precedente) viene applicata direttamente alla base del MOS (comandato dalla tensione V GS ). La tensione di soglia del BS170 tra 1,5 V e 3 V, quindi sará possibile osservare le tre zone di funzionamento. Per tensioni inferiori a 1,7 V circa la tensione di uscita é massima (transistore in interdizione). Segue la fase lineare, e la fase di saturazione che inizia per tensioni di ingresso superiori a 2,4 V circa. Page 66 Page 67
Circuito 3: Pilotaggio lampadina Esercizio proposto V BB +5V 0V V BB V +28V AL RL 40mA t I C R B I B 10kΩ rete di comando per pilotare ON/OFF una lampadina da 12 V, 100 ma comando: ingresso = + 10 V ingresso aperto ON OFF e disponibile un transistore 2N2222 (β > 100) verifica di β e V CE(sat) su catalogo Elettronica II - Claudio Sansoè - Esercitazione 1 - n. ## - // Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 69-27/05/2009 Il terzo circuito é simile ai precenti, ma questa volta la resistenza di carico é sostituita da una lampadina, con tensione nominale di 28 V e corrente 40 ma. La tensione di alimentazione é di 28 V (5 V nei circuiti visti in precedenza). Il segnale di comando é ad onda quadra, per evitare che il transistor rimanga in zona lineare. Tensione e resistenza sono dimensionati in modo da garantire la saturazione con un β forzato di circa 80, inferiore al β minimo indicato nelle caratteristiche del transistore. Con segnale di ingresso a frequenza molto bassa si vedono le fasi di accensione e spegnimento. A frequenza piú alta la lampadina sembra uniformemente accesa (per la persistenza delle immagini sulla retina e l inerzia termica del filamento). Variando il duty cycle del segnale di comando varia la luminositá apparente. Il segnale di comando é fornito da un interruttore che collega un generatore da 10 V all ingresso. L interruttore deve controllare la corrente di base del transistore. Nello schema tracciato sulla lavagna, la resistenza R 1 fornisce la corrente di base quando línterruttore é chiuso. La resistenza R 2 porta a massa la base. In questo modo, quando l interruttore é aperto, la corrente di perdita della giunzione BC viene scaricata a massa e non determina un incremento della corrente I OFF (vedi pagina 23 di questi appunti). Inoltre la presenza di R 2 migliora la velocita di commutazione nel passaggio ON-OFF (vedi lezione num. 4). Page 68 Page 69
+12 V Riepilogo 100mA Caratteristiche I D,V DS dei transistori a effetto di campo (MOS, FET) I C Zona di saturazione e zona di interdizione 10 V R 1 R 2 I B 2N2222 Parametri inerenti l uso in commutazione Esempio: invertitore logico Laboratorio: BJT e MOS in commutazione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo A - 8 n. 71-27/05/2009 La corrente I C a lampada accesa é di 100 ma. Scegliendo un β forzato di 20 (il valore minimo del β sulle caratteristiche é 70), la I B risulta pari a 5 ma. I B dipende dalle due correnti I 1 ed I 2, che scorrono nelle resistenze R 1 ed R 2. Abbiamo a questo punto due incognite (R 1 ed R 2 ) e un vincolo (corrente di base I B = 5mA). Per definire il valore di R 1 ed R 2 occorre imporre un altra condizione, oppure scegliere il valore di una delle due resistenze. Scelta R 2 = 1 kω, si puó calcolare R 1 tenendo conto che ai capi della giunzione BE é presente una tensione di 0,6 V. Si ottiene R 1 = 1,5 kω. Page 70 Page 71