Il TRANSISTOR Il primo transistor della storia

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

IL TRANSISTOR

BASE (sottile)

COLLETTORE p

n

n

p n

p

EMETTITORE (fortemente drogato)

IC

IE

IB

IC

IB

IE IE +IB+IC=0 npn pnp

Simboli circuitali del transistor npn pnp

C

E

B B

E

C

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

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

IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE BASE COLLETTORE

p+ p n

La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base

IC IB IE

+ _ +

+ + _ _

_VEB VCB

VCB VEB

IC

IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor)

EMETTITORE BASE COLLETTORE

p+ p n

La giunzione BC è polarizzata inversamente le lacune diffondono verso il collettore

+ +

+ + _ _

_ _

IC IB IE

GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR

Nei transistor reali il 98% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore.

βF Guadagno di corrente di corto circuito a emettitore comune (detto anche hFE)

Polarizzazione del transistor configurazione CE – Retta di carico

B

E

C

IC RB VCC

La retta di carico

VCE

RCIC RC

VBE ~ 0.7V

VCC

VCC

Le “caratteristiche” del transistor (di uscita e a emettitore comune)

Effetto Early: curve a IB costante non parallele all’asse VCE

Transistor in saturazione Transistor in zona attiva

L’incrocio della retta di carico con la curva caratteristica con IB=cost. determina il punto di lavoro (la soluzione del circuito). Ad esempio con IB=80µA

Transistor spento

Amplificatore a transistor Configurazione CE – Progetto del circuito

B

E

C

IC RB

=10V

RC

VBE ~ 0.7V

Transistor
in
configurazione
a

Emettitore
Comune
CE
(Common
Emitter)



VCC VCE =6V

RC=2.2kΩ =1.8mA

IB =1.0MΩ

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

Amplificatore in configurazione CE

B

E

C

IC RB

=10V

VBE ~ 0.7V

vu

VCC

RC IB

~ vi

5mA

2.2V

Il modello ibrido a Π

rπ gm vπ ib

b

e

c

•  Modello semplificato del funzionamento del BJT •  rπ è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1kΩ). •  gm vπ è la corrente generata del generatore controllato di corrente •  rο è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early

ro

Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE

rπ gm vπ vg ~ RC

iu

b

e e

c Rg

vi≡vb vu

ib

Parametri dell’ amplificatore a BJT a Emettitore Comune

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze)

rπ gm vπ vg ~ RC

iu

b

e e

c Rg

vi≡vb vu

ib

GENERATORE BJT – CONFIG. CE

C

•  Passa alto formato da C (capacità di blocco) e rπ.. •  Quanto vale la tensione (complessa) Vπ ?

Dove so.=1/ rπ C

Si deve considerare solo lo «stadio di ingresso»

Passa Alto

Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”

rπ

rb

ro gmvπ

e e

c b ib

vπ= rπ ib

rb: Resistenza di contatto di base ~ 100Ω rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1κΩ gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1 ro Resistenza effetto Early ~ 100κΩrc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1Ωrµ: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1ΜΩ Cπ Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cµ Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF

Cµ

Cπ

rµ rc

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=VB/VA allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa

Α Β

Ζ

Α Β

ΖΑ ΖΒ

rπ

rb

ro

gmvπ

e e

c b Cµ

Cπ

rc

Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF

Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione Cµ)

A B

vg ~ RC

Rg vb

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)

Cµ(1-A) Cµ(1-A)/A

Cπ + Cµ (1-AV) A

vg

Passa Basso

A

~ vb

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)

Esempio numerico ~

Cπ + Cµ (1-AV)

Frequenza di taglio del «passa basso» Circuito equivalente «visto» dalla base

Circuito equivalente «visto» dal generatore

Risposta in frequenza di un amplificatore CE

AV (dB)

3 dB

“Mezza banda”

Frequenza (Hz)

Frequenza di taglio alta dovuta alle capacità di diffusione e di transizione

Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso

Diagramma di Bode dell’amplificazione

BJT in configurazione CEE

B

E

C

IC

R1

vu

RC IB

~ vg VBE ~ 0.7V

RE

VCC

R2

Eq. Th.

CE con RE - Polarizzazione della base

B

E

C

IC

R2

vu

RC IB

RE

VCC

R1

VBB

RE

IB

RB

IE

IC

RE – Come retroazione (“FEEDBACK”)

B

E

C

IC RC

IB

RE

VCC

VE

VC Caratteristica di ingresso

I B (µ

A)

VBE (V)

VB

IE

Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza

RC

RE

iu =ic

rπ gm vπ

ib b

e

c

vg ~

Rg RB

ig

vu

BJT in configurazione CC (Emitter Follower)

B

E

C

IC R1

vu

IB

~ vi VBE ~ 0.7V

RE

VCC

R2

Polarizzazione configurazione CC

Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza BJT conf. CC

RE

rπ gm vπ

ib b

e

c

vg ~

Rg RB

ig

vu

L’uscita è sull’emettitore

vu

Disponendo diversamente i componenti ma senza modificare la topologia:

b e

c

gm vπ RE

ib

vg ~

Rg rπ

vb

iu

Caratteristiche dell’Emitter-Follewer (continua)

Amplificatori in cascata (CE+CC)

B E

C R1

vu

RC Ip

vg

RE

VCC

R2 ~ R’E R’2

R’1

CEE CC

Accoppiamento ac

Amplificatori in cascata (CE+CC)

B E

C R1

vu

RC Ip

vg

RE

VCC

R2 ~ R’E

CEE CC

Accoppiamento dc

Configurazione CB Nella configurazione a base comune (CB) la Base del transistor è in comune tra ingresso e uscita dell’amplificatore

-VEE

VCC

RE

RC

vi vu + +

- - B

E

C vu

b

e c

RC

ii

vg

~

Rg rπ

vi

iu

- RE

+

vπ

gmvπ

Amplificatore con BJT in configurazione: Base Comune

Circuito equivalente per piccoli segnali

Impedenza d’Ingresso

Amplificazione di corrente

Amplificazione di tensione

Impedenza d’uscita

Caratteristiche approssimate per le configurazioni del BJT

CE CE +RE CC CB

AI β β -(1+β) -1

Ri rπ rπ+(1+β) RE rπ+(1+β) RE AV -β RC/rπ -RC/RE 1 β RC/rπ

Ru RC RC rπ/β RC