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)

COLLETTOREp

n

n

p n

p

EMETTITORE(fortemente drogato)

IC

IE

IB

IC

IB

IE IE +IB+IC=0npnpnp

Simboli circuitali del transistor

npnpnp

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)

ModoGiunzione

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+ pn

La giunzione EB è polarizzata direttamentele lacune diffondono verso la Base

ICIB

IE

+ _+

++ _ _

_VEBVCB

VCBVEB

IC

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

BJT in configurazione CC(Emitter Follower)

B

E

C

ICR1

vu

IB

VBE ~ 0.7V

RE

VCC

R2

Polarizzazione configurazione CC

~ vi

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

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

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

Amplificatori in cascata (CE+CC)

BE

CR1

vu

RC

Ip

vg

RE

VCC

R2~R’E

R’2

R’1

CEE CC

Accoppiamento ac

Amplificatori in cascata (CE+CC)

BE

CR1

vu

RC

Ip

vg

RE

VCC

R2~R’E

CEE CC

Accoppiamento dc

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

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

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

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

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

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

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