Il TRANSISTOR
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Il TRANSISTOR
Il primo transistor della storia
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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
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IL TRANSISTOR
BASE(sottile)
COLLETTOREp
n
n
p n
p
EMETTITORE(fortemente drogato)
IC
IE
IB
IC
IB
IE IE +IB+IC=0npnpnp
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Simboli circuitali del transistor
npnpnp
C
E
B B
E
C
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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
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Modi di operazione del BJT(Bipolar Junction Transistor)
ModoGiunzione
Emettitore Base
Giunzione
Collettore Base
Attiva-diretta Diretta Inversa
Spento Inversa Inversa
Saturazione Diretta Diretta
Attiva-inversa Inversa Diretta
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IL TRANSISTOR POLARIZZATO
EMETTITORE BASE COLLETTORE
p+ pn
La giunzione EB è polarizzata direttamentele lacune diffondono verso la Base
ICIB
IE
+ _+
++ _ _
_VEBVCB
VCBVEB
IC
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IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor)
EMETTITORE BASE COLLETTORE
p+ pn
La giunzione BC è polarizzata inversamentele lacune diffondono verso il collettore
+ +
+ + __
_ _
ICIB
IE
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GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR
250501
)1
1(
)0(con
FBFBF
FC
CF
B
CBEFC
III
II
VII
Nei transistor reali il 98% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore.
F Guadagno di corrente di corto circuito a emettitore comune (detto anche hFE)
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Polarizzazione del transistorconfigurazione CE – Retta di carico
B
E
C
ICRB
VCC
La retta di carico CECCCC VIRV
VCE
RCICRC
VBE ~ 0.7V
VCC
VCC
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Le “caratteristiche” del transistor(di uscita e a emettitore comune)
0CEBFC III
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
CECCCC VIRV
Transistor spento
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Amplificatore a transistorConfigurazione CE – Progetto del circuito
MAI
VV
I
VVR
FC
CC
B
CCB 0.1
9
7.010
/
7.07.0
B
E
C
ICRB
=10V
RC
VBE ~ 0.7V
Transistor in configurazione a Emettitore Comune CE (Common Emitter)
VCC VCE =6V
RC=2.2kΩ
AI
ImAmAR
VVI C
BC
CECCC
9200 se8.1
2.2
610
FF
=1.8mA
IB
=1.0MΩ
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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:
)()( tVt xX vv X
Segnale totale
Valore costante
Piccolo Seganle
)(txv )()( tVt xX vv X
XXV
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Amplificatore in configurazione CE
B
E
C
ICRB
=10V
VBE ~ 0.7V
vu
VCC
RC
IB
~ vi
VmARV
VtVtvVtv
mAttiItiIti
AttiIti
Cce
ceceCECE
bBFcCC
bBB
2.21
sin6)()(
sin0.18.1)]([)()(
sin59)()(
5mA
2.2V
Esempio
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Il modello ibrido a
r gm v
ib
b
e
c
• Modello semplificato del funzionamento del BJT
• r è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1k).
• gm v è la corrente generata del generatore controllato di corrente
• r è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early
ro
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Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE
r gm vvg ~RC
iu
b
e
e
cRg
vi≡vbvu
ib
r
RgR
ir
irgR
v
vA
rgi
irg
i
vg
i
iA
CmC
b
bmC
i
uv
mb
bm
b
m
i
uI
Cu
uC
ccu
acuu
i
ii R
i
iR
i
vRr
i
vR
..
..
Parametri dell’ amplificatore a BJT a Emettitore Comune
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Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze)
r gm vvg ~RC
iu
b
e
e
cRg
vi≡vbvu
ib
GENERATORE BJT – CONFIG. CE
C
• Passa alto formato da C (capacità di blocco) e r..
• Quanto vale la tensione (complessa) V ?
o
oiii ss
ssV
Crs
CrsV
Csr
rVV
/1
/
11
Dove so.=rC
Si deve considerare solo lo «stadio di ingresso»
Passa Alto
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Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”
r
rb
ro
gmv
e e
cb
ib
v= r ib
rb: Resistenza di contatto di base ~ rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1
ro Resistenza effetto Early ~ rc: Resistenza di contatto del collettore ~ r: Resistenza di giunzione (BC) ~ C Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pFC Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF
C
C
r rc
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Teorema di MillerSe in un circuito i punti A e B sono connessi da un’impedenza Z e se è noto il rapporto=VB/VA allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa
IZIZ
VZIV
IZIZ
VZIV
ZIV
VVZIVV
BBB
AAA
A
BABA
1;1
1
1;1
1
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r
rb
ro
gmv
e e
cb
C
C
rc
Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pFCm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF
Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione C
A B
vg ~RC
Rg
vb
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
C(1-A) C(1-A)/A
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CCAV
)
A
vg
Passa Basso
A
~vb
MHzRC
ssr
RrRC
pFCpFC
krkRr
H
Cb
Cb
32
1
2
105101100
1,100
,200,1,1,20
812
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
gb RrrR ||||
bb rrrR ||
Esempio numerico~
CCAV
)
Frequenza di taglio del «passa basso»Circuito equivalente «visto» dalla base
Circuito equivalente «visto» dal generatore
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Risposta in frequenza di un amplificatore CE
AV
(dB)
3 dB
20 d
B/d
ecad
e
“Mezza banda”
Frequenza (Hz)
Frequenza di taglio alta dovuta alle capacità di diffusione e di transizione
Frequenza di taglio bassa dovuta allacapacità di blocco e impedenza di ingresso
Diagramma di Bode dell’amplificazione
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BJT – Emettitore Comune con RE - Polarizzazione della base
21
2121
21
2
//RR
RRRRR
VRR
RV
B
CCBB
B
E
C
IC
R2
vu
RC
IB
RE
VCC
R1
VBB
RE
IB
RB
IE
IC
ECBBEBBBB RIIVRIV )(
CE
BEBBE
BBBBF
IR
VVI
VRI
e 1 se
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RE – Come retroazione (“FEEDBACK”)
B
E
C
ICRC
IB
RE
VCC
VE
VC
BEECE
BCB
EBBEB
VVII
III
VVVV
Caratteristica di ingresso
I B (
A)
VBE (V)
VB
IE
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Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza
RC
RE
iu =ic
r
gm v
ibb
e
c
vg~
Rg
RB
21
2121 //
RR
RRRRRB
ig
CuEi
E
C
E
CVI
RRRrR
R
R
Rr
RAA
;)1(
1;
vu
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BJT in configurazione CC(Emitter Follower)
B
E
C
ICR1
vu
IB
VBE ~ 0.7V
RE
VCC
R2
Polarizzazione configurazione CC
~ vi
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Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza BJT conf. CC
RE
r
gm v
ibb
e
c
vg~
Rg
RB
ig
vu
L’uscita è sull’emettitore
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vu
Disponendo diversamente i componenti ma senza modificare la topologia:
b e
c
gm v
RE
ib
vg ~
Rg
r
)1()(
)1(
)1()()(
b
bm
b
uI
EEb
bi
EbbEbmbbEmbbb
i
ig
i
iA
RRri
R
RiriRirgiriRgiri
v
v
vv
vb
iu
![Page 29: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/29.jpg)
Caratteristiche dell’Emitter-Follewer (continua)
10)1()1()1(
)1(
:cui da )0(;)1(
)0(
;)0()1(
)0()1(
1)1(
1])1([
)1(
r
Rr
Rrr
Rr
RR
rRi
RrRi
Ri
RiR
iR
R
r
iRr
iRiRA
E
E
bE
bEu
bEb
E
bEb
Eb
EbE
cc
cau
EbE
bE
b
uE
b
uV
vv
vv
v
vvv
![Page 30: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/30.jpg)
Amplificatori in cascata (CE+CC)
BE
CR1
vu
RC
Ip
vg
RE
VCC
R2~R’E
R’2
R’1
CEE CC
Accoppiamento ac
![Page 31: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/31.jpg)
Amplificatori in cascata (CE+CC)
BE
CR1
vu
RC
Ip
vg
RE
VCC
R2~R’E
CEE CC
Accoppiamento dc
![Page 32: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/32.jpg)
Configurazione CBNella 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
Cvu
b
e c
RC
ii
vg
~
Rg
r
vi
iu
-RE
+
v
gmv
Amplificatore con BJT in configurazione:Base Comune
Circuito equivalente per piccoli segnali
![Page 33: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/33.jpg)
Impedenza d’ingresso
1
/per risolvendo ),(
;
r
rg
r
iR
igir
iiR
mii
imi
ii
ii
v
vvv
vv
vu
b
e c
RC
ii
vg
~r
vi
iu
-RE
+
v
gmv
![Page 34: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/34.jpg)
Amplificazione di corrente
;11
)1(
rgv
rvg
i
vg
i
iA
mm
i
m
i
ui
vu
b
e c
RC
ii
vg
~r
vi
iu
-RE
+
v
gmv
![Page 35: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/35.jpg)
Amplificazione di tensione
;
r
RRg
RgA C
CmCm
i
uV
v v
vv
vu
b
e c
RC
ii
vg
~r
vi
iu
-RE
+
v
gmv
![Page 36: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/36.jpg)
Impedenza d’uscita
;Cm
Cm
cc
cau R
vg
Rvg
i
vR
vu
b
e c
RC
ii
vg
~r
vi
iu
-RE
+
v
gmv
![Page 37: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/37.jpg)
Caratteristiche approssimate per le configurazioni del BJT
CE CE +RE CC CB
AI -(1+) -1
Ri r r+(1+) RE r+(1+) RE r
AV - RC/r -RC/RE 1 RC/r
Ru RC RC r RC
![Page 38: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/38.jpg)
Transistor a effetto di Campo(FET)
FET a giunzione: JFET
![Page 39: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/39.jpg)
Transistor a effetto di Campo(FET)
![Page 40: Il TRANSISTOR](https://reader036.fdocumenti.com/reader036/viewer/2022081506/568150bb550346895dbed6e1/html5/thumbnails/40.jpg)
Caratteristiche di uscita del JFET
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Un Applet sul JFET
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html