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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 :
• William Shockley, • John Bardeen• Walter Brattain.
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IL TRANSISTOR
BASE(sottile rispetto alla
lunghezza di diffusione)
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 funzionamento del transistor prevede che le sue due
giunzioni siano polarizzate (ing. biased). Ovvero deve
essere applicata una opportuna tensione ad ogni terminale:
Emettitore, Base e Collettore.
•Le possibili combinazioni in cui le due giunzioni
E-B e B-C possono essere polarizzate, sono mostrate nella
seguente tabella:
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Modi di operazione del BJT(Bipolar Junction Transistor)
GiunzioneEmettitore Base
GiunzioneCollettore Base
Modalità di funzionamento
(zona)
DIRETTA INVERSA ATTIVA-DIRETTA
INVERSA INVERSA SPENTO
DIRETTA DIRETTA SATURAZIONE
INVERSA DIRETTA ATTIVA-INVERSA
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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 98.0% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore.
Guadagno di corrente a di corto circuito a emettitore comune (hFE)
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IL MODELLO DI EBERS-MOLL
1e1e
1e1e//
//
TCBTEB
TCBTEB
VVCS
VVESFCDEDRC
VVCSR
VVESCDREDE
IIIII
IIIII
BJT pnp
EF
VVESFC
VVESE
III
IITEB
TEB
1e
1e/
/
VEB
+ +
- - VCB
np p
Relazioni approssimate per polarizzazione attiva diretta
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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
Transistor spento
Transistor saturo 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
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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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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)()(
5mV
2.2V
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I «Piccoli Segnali»
• Dispositivi non lineari
• Polarizzazione
• Linearizzazione della caratteristica
)()( txXtx pPP (x: tensione o corrente)totale;continuapiccolo segnale
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Modello a del BJT per piccoli segnali
Giunzione di ingresso polarizzata direttamente
Generatore controllato di corrente (Effetto Transistor)gm Transconduttanza
rgiirgvg mbbmbem
Resistenza che tiene conto dell’effetto Early
Resistenza dinamica della giunzione di ingresso
ib
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Modello di un amplificatore a transistor in configurazione Emettitore Comune (CE)
r gm v
ibvi ~ RC
iu
VCC B
E
C
ICR
B
VBE ~ 0.7V
RC
IB
~ vi
vc =vC-VC
e
c
e
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Parametri caratterisitici di un amplificatore a bassa frequenza
i
uv
i
uI
v
vA
i
iA
..
..
ccu
acuu
i
ii
i
vR
i
vR
• Amplificazione di corrente
• Amplificazione di tensione
• Impedenza di ingresso
• Impedenza di uscita
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Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE a bassa frequenza
r gm v
ibvi ~ RC
r
RgR
ir
irgR
v
vA
rgi
irg
i
vg
i
iA
CmC
b
bmC
i
uv
mb
bm
b
m
i
uI
iu
Cu
uC
ccu
acuu
i
ii
Ri
iR
i
vR
ri
vR
..
..
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Studio in frequenza di un amplificatore
• Frequenza di taglio inferiore
• Frequenza di taglio superiore
• Larghezza di banda
• Amplificazione a Mezza Banda
• (sfasamento)
Diagramma di BODE
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Diagramma di Bode di un BJT
frequenza in scala logAm
plifi
cazi
one
in d
B
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Capacità delle giunzioni pn
• Capacità di diffusione se la giunzione è polarizzata in modo diretto
• Capacità di transizione o giunzione (C) se la giunzione è polarizzata in modo inverso
)1( pFOW
AC
)100( pFOV
IV
qC
T
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Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze)
v
gmv
ib
vg ~RC
CRgr
o
o
gg
o
g
g
g
j
j
rR
r
j
sCr
CjrR
r
/1
/
11
vv
vv
o=1/(Rg+r)C è la frequenza di taglio (se )
Funzione di trasferimento del «passa alto»
g/vv)H(
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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 (Fig. 1), allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa (Fig. 2).Dimostrazione:Se I è la corrente in Z diretta da A a B, allora
1,
1
;1
;11
;1
;1
1
ZZ
ZZ
IZIZ
VZIV
IZIZ
VZIV
ZIV
VVZIVV
BA
BBB
AAA
A
BABA
Figura 1
Figura 2
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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
Rgvb
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
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Analisi in frequenza del transistor in conf, CE
r ro
gmv
e e
cb
CAV)C
rcA B
~RC
CAV)/AV
Rg
rb
vg
vb
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v
CCAV)
A
vg ~
R=rb//r//Rg
Il circuito equivalente di un amplificatore a Transistor in configurazione CE si comporta come un RC Passa Basso con la resistenza data da
e con la capacità data
MHzRC
ssr
RrRC C
b
32
1
2
105101100 812
Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze)
bgb rRrrR ||||
Esempio
C
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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