Elettronica I – Il transistore bipolare a giunzione Transistore bipolare

Elettronica I –
Il transistore bipolare a giunzione
Valentino Liberali
Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione
Università di Milano, 26013 Crema
e-mail: [email protected]
http://www.dti.unimi.it/˜liberali
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 1
Transistore bipolare a giunzione (1/5)
(BJT = Bipolar Junction Transistor)
È costituito da DUE giunzioni p-n separate da una distanza
minore della lunghezza di diffusione dei portatori: xB < L p
E
emettitore
p
B
base
C
collettore
n
p
xB
Può essere di tipo pnp (figura) oppure npn.
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 2
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Transistore bipolare a giunzione (2/5)
E
emettitore
B
base
p
C
collettore
n
p
xB
E = emettitore (emitter )
B = base (base)
C = collettore (collector )
Quando la giunzione E-B è polarizzata direttamente e la
giunzione C-B è polarizzata inversamente si ha l’effetto
transistor.
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 3
Transistore bipolare a giunzione (3/5)
= lacune
IE
E
p
= elettroni
B
C
n
IC
p
ricombinazione
regione di
svuotamento
IB
Giunzione E-B: iniezione di portatori
Base sottile (xB ≪ L p ): la maggior parte delle lacune
iniettate raggiunge la giunzione di collettore senza
ricombinarsi
Giunzione C-B polarizzata inversamente: le lacune
vengono attirate verso C dal potenziale di giunzione
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 4
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Transistore bipolare a giunzione (4/5)
EMETTITORE PIÙ DROGATO DELLA BASE
per avere una corrente dovuta quasi esclusivamente ai
portatori iniettati dall’emettitore (lacune per un
transistore pnp; elettroni per un transistore npn)
BASE SOTTILE
per avere poca ricombinazione di portatori nella base
Quando la giunzione E-B è polarizzata direttamente e la
giunzione C-B è polarizzata inversamente (regione attiva),
quasi tutti i portatori iniettati dall’emettitore
attraversano la base senza ricombinarsi e vengono
raccolti dal collettore
con α quasi uguale a 1 (ma α < 1 perché c’è IB )
IC = αIE
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 5
Transistore bipolare a giunzione (5/5)
= lacune
E
IE
= elettroni
B
p
C
n
p
ricombinazione
regione di
svuotamento
IB
IC = αIE
IC
IE = IC + IB
IB = (1 − α)IE
(di solito in regione attiva IB è trascurabile)
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 6
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Simbolo del transistore bipolare
IE E
C IC
VEB
IB
B
VCB
Transistore PNP
IE E
C IC
VBE
IB
B
VBC
Transistore NPN
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 7
Guadagno di corrente del BJT (1/2)
IE E
C IC
VEB
IB
B
VCB
IC = αIE
IE = IC + IB
IB = (1 − α)IE
α
IB = βIB
IC =
1−α
β = guadagno di corrente
Normalmente, β ≫ 1. Ad esempio, se α = 0.99, β ≈ 100.
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 8
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Guadagno di corrente del BJT (2/2)
Il transistore bipolare polarizzato in regione attiva
(giunzione E-B in diretta, giunzione C-B in inversa) si
comporta da amplificatore di corrente (generatore di
corrente controllato in corrente).
La corrente di ingresso è la corrente di base IB
La corrente di uscita è la corrente di collettore IC
Il guadagno di corrente è β:
β=
α
1
≈
(se α ≈ 1)
1−α 1−α
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Regioni di funzionamento del BJT (1/2)
giunzione E-B giunzione C-B
funzionamento
inversa
inversa
interdizione (spento, “off” )
diretta
inversa
regione attiva (diretta)
diretta
diretta
saturazione
inversa
diretta
regione attiva (inversa)
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 10
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Regioni di funzionamento del BJT (2/2)
Quando il transistore è in interdizione (spento), le correnti
sono nulle:
IB = IC = IE = 0
Quando il transistore è in saturazione, la differenza di
potenziale tra E e C è trascurabile:
VEB = Vγ
VCB = Vγ
VCE ≈ 0
Quando il transistore è in regione attiva:
IC = βIB
VEB = Vγ
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 11
Circuito con transistore bipolare (1/8)
+VCC
RC
vOUT
RB
Q1
+
vIN
Q1 (reg. attiva): Vγ = 0.7 V, β = 100;
VCC = 5 V; RC = 1 kΩ; RB = 10 kΩ.
Trovare il punto di lavoro per vIN = 0 V, 1 V e 5 V.
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Circuito con transistore bipolare (2/8)
Analizziamo per primi i casi estremi: vIN = 0 V e vIN = 5 V.
vIN = 0 V
Q1 spento: IB = IC = IE = 0.
Nel circuito non passa corrente; VB = 0; VC = VCC = 5 V.
La tensione di uscita è vOUT = VC = 5 V.
vIN = 5 V
Q1 in saturazione: VBE = VBC = Vγ = 0.7 V.
VB = 0.7 V;
VC = 0;
IB =
IC =
Vin −VB
RB = 0.43 mA;
VCC −VC
= 5 mA.
RC
La tensione di uscita è vOUT = VC = 0.
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 13
Circuito con transistore bipolare (3/8)
Se i valori di tensione 0 e 5 V corrispondono
rispettivamente ai bit “0” e “1”, possiamo riepilogare il
funzionamento del circuito con la tabella
(X = bit di ingresso; Y = bit di uscita)
X
vIN
Q1
vOUT
Y
0
0V
interdizione (“off”)
5V
1
1
5V
saturazione
0V
0
Leggendo la prima e l’ultima colonna, si ricava che il circuito
realizza la funzione di una porta logica NOT (inverter):
X
Y
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 14
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Circuito con transistore bipolare (4/8)
vIN = 1 V
Q1 in regione attiva: VBE = Vγ = 0.7 V; IC = βIB .
VB = 0.7 V;
IB =
vIN −VB
RB
= 0.03 mA;
IC = βIB = 3 mA;
VC = VCC − RC IC = 2 V.
La tensione di uscita è vOUT = VC = 2 V.
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 15
Circuito con transistore bipolare (5/8)
Se vIN , oltre ad avere il valore costante VIN = 1 V, ha
anche una componente variabile (ad esempio,
sinusoidale) di ampiezza piccola (ad esempio, 50 mV)
e media nulla (piccolo segnale) vin (t):
vIN (t) = VIN + vin (t), dove vin (t) = V1 sin 2π f t
L’ampiezza di picco del piccolo segnale è V1 = 50 mV;
la tensione di ingresso vIN (t) varia tra un minimo di
0.95 V (= VIN − V1 ) e un massimo di 1.05 V (= VIN + V1 ).
1.05 V
0.95 V
vIN(t)
t
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 16
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Circuito con transistore bipolare (6/8)
Q1 rimane sempre in regione attiva: VBE = Vγ ; VB = 0.7 V.
B
; la corrente iB (t) varia tra un minimo di
iB (t) = vIN (t)−V
RB
0.025 mA e un massimo di 0.035 mA.
iC (t) = βiB (t); la corrente iC (t) varia tra un minimo di 2.5
mA e un massimo di 3.5 mA.
vC (t) = VCC − RC iC (t); la tensione vC (t), che è anche la
tensione di uscita vOUT (t), varia tra un massimo di 2.5
V e un minimo di 1.5 V.
Notare che ad un aumento della tensione vIN (t) corrisponde
un aumento delle correnti iB (t) e iC (t), e una diminuzione
della tensione vC (t).
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 17
Circuito con transistore bipolare (7/8)
1.05 V
0.95 V
vIN(t)
t
2.5 V
vOUT (t)
1.5 V
t
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 18
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Circuito con transistore bipolare (8/8)
Per il segnale vin (t) = V1 sin 2π f t, il circuito si comporta da
amplificatore invertente con guadagno di tensione AV :
AV = −
0.5 V
= −10
50 mV
La tensione di ingresso vIN viene convertita nella
corrente iB dalla resistenza RB
La corrente iB viene amplificata dal transistore,
producendo la corrente di uscita iC
La corrente iC viene convertita nella tensione di uscita
vOUT dalla resistenza RC
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 19
Analisi di piccolo segnale
Combinando le equazioni:
iB (t) =
vIN (t) − VB
RB
iC (t) = βiB (t)
vOUT (t) = vC = VCC − RC iC (t)
otteniamo:
vOUT (t) = VCC − RC β
vIN (t) − VB
RB
Elettronica I –Il transistore bipolare a giunzione – p. 20
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Analisi di piccolo segnale (2/2)
Separiamo le componenti in continua e di segnale:
vOUT (t) = VOUT + vout (t)
La componente in continua è:
VOUT = VCC − RC β
VIN − VB
RB
mentre la componente di segnale è:
vout (t) = −
RC βvin (t)
= −10 vin (t)
RB
Il guadagno di tensione è: AV = −
RC β
RB
= −10
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