Il transistor

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Testo

IL TRANSISTOR
o TRANSISTOR BIPOLARI A GIUNZIONE ( BJT )
Il transistor bipolare a giunzione, noto anche con l'acronimo BJT (Bipolar Junction Transistor), è un dispositivo elettronico a semiconduttore a tre terminali il cui nome evidenzia le caratteristiche fondamentali di quest'elemento: il termine Bipolar indica che la conduzione è dovuta al contributo dei due portatori di carica elettrica (elettroni e lacune), Junction che è realizzato attraverso la connessione in serie di due giunzioni di tipo p-n. All'inizio questi dispositivi erano utilizzati come convertitori d'impedenza da cui il nome transistor (= transfer resister), oggi invece nascono come amplificatori di corrente ma sono più spesso usati, come negli amplificatori operazionali, con la funzione di amplificatori di tensione. I BJT trovano inoltre applicazione nei circuiti sia discreti che integrati, sia analogici che digitali. In quest'ultimo caso essi sono utilizzati come interruttori (switch) impiegati nei modi di funzionamento di saturazione ed interdizione. I BJT possono essere di due tipi:
· npn, in cui la conduzione è dovuta soprattutto ad elettroni
· pnp, in cui la conduzione è dovuta soprattutto ad elettroni in banda di valenza cioè lacune.
o REALIZZAZIONE FISICA E ANALISI DEL TRANSITOR NPN
Polarizziamo direttamente una giunzione pn in cui la regione negativa è fortemente drogata ed ha dimensioni maggiori rispetto alla zona positiva in modo tale che il flusso di elettroni dalla zona drogata di tipo N a quella di tipo P sarà nettamente prevalente rispetto al flusso di lacune che arriva in senso opposto (fig. 1).
Fig.1 - Polarizzazione diretta di una giunzione pn
La polarizzazione diretta BE (VBE>0) genera un flusso di elettroni diretto dalla regione N+ alla regione P e le zone di svuotamento assumono dimensioni diverse a causa della differente concentrazione di cariche. Aggiungiamo ora una regione N e polarizziamo inversamente il nuovo diodo, come in fig. 2.
Fig.2 - Polarizzazione di una doppia giunzione del tipo npn
La funzione della polarizzazione inversa BC (VBC AV (stabilizzato) > -RC / RE
Deduciamo quindi che la stabilizzazione, ottenuta attraverso l'inserimento di RE, comporta una diminuzione del guadagno. Questo inconveniente può essere risolto inserendo una capacità CE , detta di by-pass, in parallelo ad RE , in modo che la stabilità resti garantita alle basse frequenze e quindi anche per la continua, mentre alle medie frequenze CE risulta cortocircuitata dalla resistenza RE, evitando così la riduzione non desiderata del guadagno.
Fig. 18 - Introduzione della capacità di by-pass
Alle basse frequenze dunque CE è un circuito aperto e il guadagno continua a essere quello del caso stabilizzato (4.42); alle medie frequenze, CE è un corto circuito quindi il guadagno torna al valore della (4.38). Concludiamo che l'inserimento di CE è vantaggioso poiché fa sì che alle basse frequenze sia presente l'effetto retroattivo stabilizzatore di RE, mentre alle alte frequenze il circuito mantiene il guadagno ad anello aperto. Tuttavia l'introduzione di CE riduce l'intervallo di frequenze in cui il circuito si comporta come amplificatore.
Fig. 19 - Guadagno dell'emettitore degenere alle basse frequenze
Alle alte frequenze non è più valido il modello a parametri ibridi del transistor a causa della dipendenza dei parametri hie ed hfe dalla frequenza. Si ricorre quindi ad un altro modello del BJT denominato circuito equivalente a P o
di Giacoletto di seguito riportato:
Fig. 20 - Configurazione equivalente di un BJT alle alte frequenze, modello di Giacoletto
In questo caso i parametri sono resistivi ed indipendenti dalla frequenza, inoltre variano in funzione del punto di lavoro e, in misura minore, dalla temperatura. La resistenza rbb' del circuito di base, di valore tipicamente compreso tra 10 e 200uu, rappresenta la resistenza del cristallo di semiconduttore costituente la regione di base; rb'e e cb'e sono rispettivamente la resistenza e la capacità della giunzione base-emettitore. Il gruppo rb'c e Cb'c fra collettore e base tiene conto dell'accoppiamento tra
i circuiti di ingresso e di uscita.
Trascurando rb'c e applicando il teorema di Miller alla capacità Cb'c , si arriva al seguente schema equivalente:
Fig. 21 - Configurazione equivalente di un BJT
alle alte frequenze semplificato con il teorema di Miller
Alle alte frequenze, i gruppi RC del circuito equivalente semplificato di fig.21 introducono due poli all'interno della risposta in frequenza del BJT (diagramma di Bode del guadagno in funzione della frequenza), uno (fi) relativo alla maglia di ingresso e l'altro (fu) relativo alla maglia di uscita. Da una semplice analisi si ricava:
(4.43)
Dalle relazioni (4.43) e tenendo conto della Tab.1, si deduce che:
fi > hie si ha
AV A 1 ma sempre AV < 1.
(4.56)
Questa configurazione circuitale non cambia la tensione tra ingresso e uscita. Verifichiamo ora le condizioni Rin Q0 e Rout00, che ci consentono di ottenere un circuito separatore (o Buffer).
Rin = VB / IB = hie + (1+ hfe)*RE/hfe*RE
(4.57)
Rin è molto elevata poiché è dell'ordine dei 10kR; Calcoliamo ora la Rout che è per definizione la resistenza vista in uscita quando l'ingresso è in corto circuito; per farlo ci riferiamo allo schema di figura 23.
Fig. 23 - Determinazione dell'impedenza di uscita
Si può affermare che:
Rout = R'out // RE
(4.58)
avendo definito
R'out= (V2/I2)/Vin=0 .
(4.59)
Esplicitando I2 e V2 dalla figura 23, si ottiene:
I2 = - IB*(1 + hfe)
(4.60)
V2 = - IB*(RB + hie);
(4.61)
ne segue che
R'out= (RB + hie) / (1 + hfe)
(4.62)
e quindi
Rout = [(RB + hie) / (1 + hfe)] // RE
(4.63)
Poiché:
RBR505

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