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 IE +IB+IC=0 pnp npn IC IB IE COLLETTORE n p BASE p (sottile) p n p n EMETTITORE (fortemente drogato) IE +IB+IC=0 pnp npn

Simboli circuitali del transistor pnp npn C C B B E E

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 Collettore Base Attiva-diretta Diretta Inversa Spento Saturazione Attiva-inversa

IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE BASE COLLETTORE IC p+ p n _ VEB _ VCB + + La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base IE IC IB _ _ VEB + VCB +

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 IE IC _ _ IB + +

GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR Nei transistor reali il 98% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore. bF Guadagno di corrente di corto circuito a emettitore comune (detto anche hFE)

Polarizzazione del transistor configurazione CE – Retta di carico VCC RCIC RB RC IC VCC C VCC B VCE VBE ~ 0.7V E La retta di carico

Le “caratteristiche” del transistor (di uscita e a emettitore comune) 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 Effetto Early: curve a IB costante non parallele all’asse VCE

Amplificatore a transistor Configurazione CE – Progetto del circuito =1.8mA Il transistor ora è polarizzato e può funzionare da amplificatore RB RC=2.2kΩ RC =1.0MΩ IB VCE =6V C VCC =10V B VBE ~ 0.7V E Transistor in configurazione a Emettitore Comune CE (Common Emitter)

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: Piccolo Seganle Segnale totale Valore costante

Amplificatore in configurazione CE 2.2V IC RB RC 5mA vu IB C VCC =10V B ~ vi VBE ~ 0.7V E Esempio

Il modello ibrido a P b c rp e ib ro gm vp Modello semplificato del funzionamento del BJT rp è la resistenza della giunzione polarizzata direttamente (circa 1kW). gm vp è la corrente generata del generatore controllato di corrente ro è la resistenza di uscita, responsabile dell’effetto Early

Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE Rg ib c iu b ~ rp vg vu vi≡vb gm vp RC e e Parametri dell’ amplificatore a BJT a Emettitore Comune

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze) Rg C ib c iu b Si deve considerare solo lo «stadio di ingresso» ~ rp vg gm vp vu vi≡vb RC e e GENERATORE BJT – CONFIG. CE Passa alto formato da C (capacità di blocco) e rp.. Quanto vale la tensione (complessa) Vp ? Passa Alto Dove so.=1/ rp C

Il modello completo del transistor per “piccoli segnali” rm rc rb b Cm c Cp ib rp ro vp= rp ib gmvp e e rb: Resistenza di contatto di base ~ 100W rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1kW gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1 ro Resistenza effetto Early ~ 100kW rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1W rm: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1MW Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF

Teorema di Miller A B Z A B ZA ZB Se in un circuito i punti A e B sono connessi da un’impedenza Z e se è noto il rapporto m=VB/VA allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa A B Z A B ZA ZB

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) B b rc rb c Cm Cp Rg Cm(1-A) Cm(1-A)/A vb rp ro RC vg ~ gmvp e e 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 Cm)

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) Passa Basso Circuito equivalente «visto» dal generatore A Cp + Cm (1-AV) vg ~ Esempio numerico A Cp + Cm (1-AV) vb ~ Frequenza di taglio del «passa basso» Circuito equivalente «visto» dalla base

Risposta in frequenza di un amplificatore CE Diagramma di Bode dell’amplificazione Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso 20 dB/decade 3 dB Frequenza di taglio alta dovuta alle capacità di diffusione e di transizione AV (dB) “Mezza banda” Frequenza (Hz)

BJT – Emettitore Comune con RE - Polarizzazione della base VCC IC RC R1 IB C B IC vu RB VBB E R2 IB RE IE RE

RE – Come retroazione (“FEEDBACK”) VCC IC RC C IB B VC Caratteristica di ingresso E VB RE VE IE IB (mA) VBE (V)

Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza iu =ic ig ib b c rp Rg gm vp RB vu RC ~ e vg RE

BJT in configurazione CC (Emitter Follower) VCC Polarizzazione configurazione CC IC R1 ~ vi IB C B VBE ~ 0.7V E R2 RE vu

Circuito equivalente per piccoli segnali a bassa frequenza BJT conf. CC ig ib b c rp Rg gm vp RB ~ e vg vu RE L’uscita è sull’emettitore

Disponendo diversamente i componenti ma senza modificare la topologia: ib iu b e rp gm vp Rg RE vu vb vg ~ c

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 VCC gmvp ii iu c RC e E Rg - + C + RE vg rp vp RC vu vi RE vu ~ B + - - b -VEE vi Amplificatore con BJT in configurazione: Base Comune Circuito equivalente per piccoli segnali

Impedenza d’ingresso gmvp ii iu c e - RE vg rp vp RC vu ~ + b vi

Amplificazione di corrente gmvp ii iu c e - RE vg rp vp RC vu ~ + b vi

Amplificazione di tensione gmvp ii iu c e - RE vg rp vp RC vu ~ + b vi

Impedenza d’uscita gmvp ii iu c e - RE vg rp vp RC vu ~ + b vi

Caratteristiche approssimate per le configurazioni del BJT CE CE +RE CC CB AI b -(1+b) -1 Ri rp rp+(1+b) RE rp/b AV -b RC/rp -RC/RE 1 b RC/rp Ru RC

Transistor a effetto di Campo (FET) FET a giunzione: JFET

Transistor a effetto di Campo (FET)

Caratteristiche di uscita del JFET

Un Applet sul JFET http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html