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 :
• William Shockley,
• John Bardeen
• Walter Brattain.
IL TRANSISTOR
IC
p
n
IB
p
IE
pnp
IC
COLLETTORE
n
BASE
p
(sottile rispetto alla
lunghezza di diffusione)
IB
n
EMETTITORE
(fortemente drogato)
IE +IB+IC=0
IE
npn
Simboli circuitali del transistor
pnp
npn
C
C
B
B
E
E
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:
Modi di operazione del BJT
(Bipolar Junction Transistor)
Giunzione
Emettitore Base
Giunzione
Collettore Base
Modalità di
funzionamento
(zona)
DIRETTA
INVERSA
ATTIVA-DIRETTA
INVERSA
INVERSA
SPENTO
DIRETTA
DIRETTA
SATURAZIONE
INVERSA
DIRETTA
ATTIVA-INVERSA
IL TRANSISTOR POLARIZZATO
EMETTITORE
p
BASE
COLLETTORE
IC
p
n
VEB +
_
+
_ VCB
La giunzione EB è polarizzata direttamente
le lacune diffondono verso la Base
IE
VEB +
_
IB
_ V
+
CB
IC
IL TRANSISTOR
Principio di funzionamento (effetto transistor)
EMETTITORE
p+
BASE
COLLETTORE
p
n
+
_
_
+
La giunzione BC è polarizzata inversamente
le lacune diffondono verso il collettore
IE
_
+
IB
_
+
IC
GUADAGNO IN CORRENTE DEL
TRANSISTOR
Nei transistor reali il 98.0% - 99.8% della
corrente IE raggiunge il collettore.
I C   F I E
I B  (1 
1
F
con (VCB  0)
)IC
F
IC 
IB  F IB
1F
Guadagno
di corrente a di corto circuito
a emettitore comune (hFE)
  F  50  250
IL MODELLO DI EBERS-MOLL
p
n
p
BJT pnp
+
+
VEB
- -
VCB

I E  I ED   R I CD  I ES e
VEB / VT



 1   R I CS e

VCB / VT


1

I C   R I ED  I CD   F I ES eVEB /VT  1  I CS eVCB /VT  1


I E  I ES eVEB /VT  1


I C   F I ES eVEB /VT  1   F I E
Relazioni approssimate per
polarizzazione attiva diretta
Polarizzazione del transistor
configurazione CE – Retta di carico
VCC
RC
RB
VCC
IC
RCIC
C
B
VCC
VCE
VBE ~ 0.7V
E
La retta di carico
VCC  RC I C  VCE
Le “caratteristiche” del transistor
(di uscita e a emettitore comune)
Transistor saturo
I C   F I B  I CE 0
VCC  RC I C  VCE
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
Amplificatore a transistor
Configurazione CE – Progetto del circuito
RB
=1.0MΩ
VCC =10V
RC=2.2kΩ
RC
IB
IC =1.8mA
C
VCE =6V
B
VBE ~ 0.7V
E
Transistor in configurazione a
Emettitore Comune CE (Common Emitter)
V  VCE 10  6
I
I C  CC

mA  1.8 mA se  F  200  I B  C  9 A
RC
2.2
F
RB 
VCC  0.7V VCC  0.7V 10  0.7


 1.0 M
IB
IC /  F
9 A
Amplificatore in configurazione CE
RC
RB
5mV
IB
VCC =10V
IC
C
B
~
vi
vu
VBE ~ 0.7V
E
iB (t )  I B  ib (t )  9  5 sin t
A
iC (t )  I C  ic (t )   F [ I B  ib (t )]  1.8  1.0 sin t
vCE (t )  VCE  vce (t )  6  Vce sin t V
Vce  RC 1mA  2.2 V
2.2V
mA
I «Piccoli Segnali»
• Dispositivi non lineari
• Polarizzazione
• Linearizzazione della
caratteristica
xP (t )  X P  x p (t )
(x: tensione o corrente)
totale;
continua
piccolo segnale
Modello a p del BJT
per piccoli segnali
Giunzione di ingresso polarizzata direttamente
ib
Resistenza dinamica della
giunzione di ingresso
Resistenza che tiene conto
dell’effetto Early
Generatore controllato di corrente (Effetto Transistor)
gm Transconduttanza
g mvbe  g m rp ib   ib  g m rp  
Modello di un amplificatore a transistor in
configurazione Emettitore Comune (CE)
c
ib
i
v ~
u
rp
gm vp
RC
i
e
e
RC
R
B
VCC
~
IB
vi VBE ~
B
IC
C
0.7V
E
vc =vC-VC
Parametri caratterisitici di un amplificatore
a bassa frequenza
•
•
Amplificazione di corrente
iu
AI 
ii
Amplificazione di tensione
vu
Av 
vi
•
Impedenza di ingresso
•
Impedenza di uscita
vi
Ri 
ii
Ru 
vu
c.a.
iu
c .c .
Parametri di un amplificatore a transistor
in configurazione CE a bassa frequenza
vi
~
ib
rp
iu
gm vp
RC
iu  g m vp  g m rp ib
AI  

  g m rp   
ii
ib
ib
vu  RC g m rp ib
RC
Av  
  RC g m   
vi
rp ib
rp
vi
Ri   rp
ii
Ru 
vu
c.a .
iu
c .c .
RC iu

 RC
iu
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
Amplificazione in dB
Diagramma di Bode di un BJT
frequenza in scala log
Capacità delle giunzioni pn
• Capacità di diffusione se la giunzione è
polarizzata in modo diretto
q

Cp 
I
 O(100 pF )
V
VT
• Capacità di transizione o giunzione (C ) se la
giunzione è polarizzata in modo inverso
A
C  
 O(1 pF )
W
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (basse frequenze)
ib
C
Rg
vg
vp 
vp
rp
gmvp
RC
~
v g rp
Rg  rp 
 rp
vg
vg 
R r

 g p
j
1
rp sC
1
jC
o
 j / o

 1  j / 
o

Funzione di trasferimento
del «passa alto»
o=1/(Rg+rp)C è la frequenza di taglio (se H(  )  v p /v g )
Il modello completo del transistor per “piccoli segnali”
rb
b
r
e
c
C
ib
vp= rp ib
rc
rp
Cp
gmvp
rb: Resistenza di contatto di base ~ 100
rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1k
gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1
ro Resistenza effetto Early
~ 100k
rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1
r: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1M
Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF
C Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF
ro
e
Teorema di Miller
Se 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
B
A
 VB 
VA  VB  ZI  VA 1    ZI
 VA 
Z
VA 1     ZI ; VA 
I  Z AI;
1 
1 
Z
VB   1  ZI ; VB 
I  ZBI;
1 
 
Z
Z
ZA 
,
ZB 
1 
1 
I
Z
Figura 1
B
A
I
ZA
ZB
I
Figura 2
Risposta in frequenza di un amplificatore
CE (alte frequenze)
b
B
rc c
C
Rg
vg
rb
A
vb
rp
~
Cp
ro
g mv p
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 C
RC
Analisi in frequenza del transistor in conf, CE
Rg
vg
b
rb
vb
rp
~
e
A
C 1AV)/AV
Cp C 1AV)
B
rc c
ro
g mv p
e
RC
Risposta in frequenza di un amplificatore CE
(alte frequenze)
Il circuito equivalente di un amplificatore a Transistor in configurazione CE
si comporta come un RC Passa Basso con la resistenza data da
R  rb || rp || Rg  rb
e con la capacità data
Cp  C 1AV)
Esempio
A
R=rb//rp//Rg
vp
vg ~
C

R 
RC  rb 100  1  C  10 12 s  5 10 8 s
rp 


1


 3MHz
2p 2pRC
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
Frequenza di taglio alt
capacità di diffusione e
3 dB
AV
“Mezza banda”
(dB)
Frequenza (Hz)