Il BJT come Amplificatore - Università degli Studi Roma Tre

Università degli studi “Roma Tre”
Corso di Laurea in Fisica
a.a. 2014/2015
Prof. Giuseppe SCHIRRIPA SPAGNOLO
Il BJT come Amplificatore
Esperimentazioni di Fisica III
Il presente materiale riprende in parte informazioni, idee,
trasparenze tratte da varie fonti e rielaborate ai fini del corso.
Il transistore opera come amplificatore quando funziona in
regione attiva diretta. Pertanto, una volta fissato, in regione
attiva diretta, il punto di riposo Q di un transistore BJT con
un’opportuna rete di polarizzazione, è possibile applicare un
segnale d’ingresso per mezzo di condensatori di accoppiamento.
I condensatori possono essere usati negli amplificatori per due
scopi.
• Condensatori di accoppiamento: servono per trasmettere un
segnale tempo variante da un circuito ad un altro ed eliminare
la componente continua di un segnale.
• Condensatori di messa a terra: servono per eliminare la
componente di segnale dai resistori usati per la polarizzazione
del transistore.
Un condensatore ha una reattanza data da X = 1/( 2 f C ), f
rappresenta la frequenza del segnale. Si può notare che giocando
sul prodotto f·C si può rendere trascurabile X .
Nella figura seguente è riportato lo schema circuitale di un
transistore polarizzato con partitore di tensione e accoppiato
capacitivamente in base con un segnale alternato.
Il condensatore di accoppiamento blocca le componenti
continue
e,
pertanto,
impedisce alla resistenza
del generatore di segnale
di modificare la tensione
di polarizzazione presente
alla base del transistore.
Il segnale (tensione variabile) impone alla tensione di base una
variazione al di sopra e al disotto del proprio livello di
polarizzazione (tensione continua). La corrispondente
variazione della corrente di base si ripercuote, a causa del
guadagno di corrente del
transistore, in una più ampia
variazione della corrente di
collettore.
Un aumento della corrente di collettore fa aumentare anche la
caduta di tensione ai capi di RC , imponendo una corrispondente
diminuzione della tensione di collettore. La corrente di
collettore varia nell’intorno del punto Q e oscilla in fase
con la corrente di
base, mentre la
tensione
tra
collettore ed varia
anch’essa intorno
al punto Q e
oscilla sfasata di
180° rispetto alla
tensione di base.
Assumiamo che le capacità dei condensatori siano di valore tale
che si possano considerare, alla frequenze di lavoro del
transistore, come cortocircuiti. Inoltre anche VCC può essere
cortocircuitato; un generatore di tensione continua presenta una
resistenza nulla nei confronti di un segnale alternato.
Circuito equivalente
per le variazioni
Per effettuare lo studio del transistore ai piccoli segnali,
considerando che lavora in zona attiva diretta, non è necessario
utilizzare il modello di trasporto, ma si può utilizzare un modello
semplificato (uno di quelli presentati nella prima slide di questa
lezione). Consideriamo il seguente circuito equivalente:
vbe  r  ib

vce




i
g
v
c
m
be

r0

ic
gm 
vbe
vce  0
 vbe 
1
I S exp 


VT
V
 T 

ic
ic  F ie

ie
F
VT
 F 1
ie

VT
Q1
Q1
La
resistenza
d’ingresso
dell’amplificatore è data da
parallelo di R1 , R2 e rπ :
vbe
Rin 
 R1 R2 r
iS
Q1
La resistenza d’uscita è data dal parallelo di RC ed ro :
Rout  RC ro
con ro  

Rout  RC
La tensione d’uscita a
vuoto (senza carico RL ) è
data da:
vout   RC ic   RC g m vbe
Pertanto il guadagno , in tensione, dell’amplificatore è:
vout
AV 0 
  g m RC
vbe
Il segno negativo sta ad indicare
che il segnale d’uscita è in
controfase con quello in ingresso.
Per effettuare lo studio del transistore ai piccoli segnali,
considerando che lavora in zona attiva diretta, non è necessario
utilizzare il modello di trasporto, ma si può utilizzare un modello
semplificato (uno di quelli presentati nella prima slide di questa
lezione). Consideriamo, adesso, il seguente circuito equivalente:
vbe  r  ib

vce

i

h

i

c
fe
b

r0

ic
h fe 
ib

vce  0
Q1
Q1
La
resistenza
d’ingresso
dell’amplificatore è data da
parallelo di R1 , R2 e rπ :
vbe
Rin 
 R1 R2 r
iS
Q1
La resistenza d’uscita è data dal parallelo di RC ed ro :
Rout  RC ro
con ro  

Rout  RC
La tensione d’uscita a
vuoto (senza carico RL ) è
data da:
vout   RC ic   RC h feib
Pertanto il guadagno , in tensione, dell’amplificatore è:
RC h fe vbe
RC h feib
vout
AV 0 


vbe
vbe
vbe r

AV 0  
RC h fe
r
Il segno negativo sta ad
indicare che il segnale
d’uscita è in controfase
con quello in ingresso.
Se hfe e rπ sono "simili",
l'amplificazione
è
uguale a Rc.
Q1
La tensione d’uscita a
vuoto (senza carico RL ) è
data da:
vin  ib r  ie RE
vout   RC ic   RC h feib
Pertanto il guadagno , in tensione, dell’amplificatore è:
RC h feib
vout

AV 0 
vin
ib r  ie RE

ib r  ie RE
ie  ic  h feib
RC
AV 0  
RE
VCC
VCC
Interdizione  distorsione
VCC
Saturazione  distorsione
I modelli del BJT visti in precedenza non prendono in
considerazione la risposta in frequenza. Per studiare la risposta
in frequenza, nel modello, bisogna includere le capacità
parassite. In particolare bisogna considerare:
Capacità Collettore‐Base Ccb
Capacità Emettitore‐Base Ceb
Capacità Collettore‐Emettitore Cce
Per affrontare lo studio più agevolmente, le tre capacità
parassite vengono inglobate in un modello che prevede due
capacità "identiche" ( Cπ ) collegate tra base e collettore e tra
base ed emettitore. Per lo studio della risposta in frequenza del
BJT, in genere, si utilizza il modello illustrato sotto.
C
B
E
BJT planare
27
Nei BJT planari (la quasi totalità di quelli utilizzati) è anche presente una capacità parassita tra Collettore e Substrato, CCS.
BJT cross-section
BJT small-signal model
Tempo di risposta
La frequenza è legata al tempo di risposta del dispositivo ovvero al tempo necessario per un
portatore di transitare dall’emettitore al collettore. Questo include diversi contributi:
E ritardo dell’emettitore,
B tempo di transito della base,
C tempo di transito del collettore.
Il più importante è il tempo di transito della base B
W2
B 
2 Dn
Transistor per alte frequenze sono disegnati con uno spessore ridotto della base.
Poiché la costante di diffusione elettronica è circa 3 volte superiore di quella delle buche, n-p-n
sono preferiti.
Un altro modo per ridurre il tempo di transito è di usare una base con drogaggio graduale
(maggiore in prossimità dell’emettitore e minore verso il collettore); il campo indotto aiuta il
moto dei portatori riducendo il tempo di transito.
0
α
β=

1  α 1 j f
f
=
Risposta a segnali AC
gm dipende da α e quindi da .
α0
1 j
f
f
β ( fT ) 
0
1
2
T
2
f
f
1
Frequenza a cui =1

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