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13A - La polarizzazione dei BJT

1 Il transistor a giunzione bipolare e le sue curve caratteristiche

Il transitor è un dispositvo a semiconduttore disponibile in forma discreta e integrata che può essere usato come interruttore comandato o come amplificatore. In questo capitolo ci occuperemo solo dei transistor a giunzione bipolare o BJT (bipolar junction transistor). L'altra tipologia principale di transistor è quella dei transistor ad effetto di campo o FET (field effect transistor) che vedremo più avanti.

Il transitor presenta tre terminali chiamati base, collettore ed emettitore collegati a tre zone drogate in modo da formare una doppia giunzione PN. Le due possibili strutture fisiche, chiamate PNP e NPN, sono mostrate in figura 1 insieme al loro simbolo. Osserviamo che:

  • il tipo NPN è il più usato
  • i versi delle correnti indicati in figura sono gli unici possibili
  • il disegno è una semplificazione estrema della reale struttura fisica (il livello di drogaggio è differente così come lo spessore e l'ampiezza delle tre zone)

Circuitalmente valgono le due relazioni:

`I_E=I_B+I_C`

`V_(CE)=V_(CB)+V_(BE)`

I transistor sono tripoli quindi:

  • possono essere rappresentati come quadripoli con un terminale in comune tra ingresso e uscita
  • hanno due caratteristiche, una di ingresso e una di uscita

La cartteristica statica di ingresso a emettitore comune è rappresentata in figura 2 e mostra la relazione tra VBE e IB a VCE costante. Osserviamo che:

  • la cartteristica è detta statica perché valida in corrente continua
  • il circuito di figura 2 è detto ad emettitore comune perché il terminale in comune tra ingresso (IB) e uscita (IC) è l'emettitore
  • la caratteristica, che coinvolge la giunzione PN tra base ed emettitore, coincide con quella di un diodo
  • variando la tensione VCE la caratteristica non cambia in maniera apprezzabile

La caratteristica statica di uscita dello stesso circuito è rappresentata in figura 3 e rappresenta la relazione tra VCE e IC a IB costante. Osserviamo che:

  • la caratteristica dipende dal valore IB e il grafico rappresenta una famiglia di curve tracciate per un determinato valore di IB
  • a parte un ripido tratto iniziale le curve sono quasi orizzontali cioè caratterizzate da un valore di IC quasi costante che aumenta al crescere di IB

Extra

  • schede di laboratorio 13A.1 (rilievo della caratteristica di ingresso) e 13A.2 (rilievo della caratteristica di uscita)

2 Studio della polarizzazione del BJT per via grafica

Polarizzare 1) un BJT significa assegnare il valore desiderato alle tensioni e alle correnti di un trasistor. Per far questo occorre realizzare un circuito con generatori e resistenze di valore opportuno come quello di figura 4.

In questo paragrafo studieremo il problema della polarizzazione per via grafica con le curve caratteristiche (lo studio analitico è possibile ricorrendo a modelli semplificati del transistor). In genere il problema consiste nel progetto di un circuito in grado di imporre i valori di IB, IC e VCE o nella verifica di questi valori dati i parametri del circuito.

Verifica della polarizzazione di un BJT

La figura 5, riferita al circuito di polarizzazione di figura 4, mostra la caratteristica statica di ingresso del BJT sovrapposta alla caratteristica del generatore di tensione equivalente con tensione a vuoto VBB e resistenza interna RB. L'intersezione Q è chiamato punto di funzionamento statico (o a riposo) in ingresso e le sue coordinate VBEQ e IBQ sono i valori cercati (VBEQ è meno importante perché, come per i diodi, potrà essere considerata costante).

Per trovare il punto di funzionamento statico (o a riposo) in uscita si sovrappone la caratteristica del BJT corrispondente a IBQ con la caratteristica del generatore di tensione equivalente con tensione a vuoto VCC e resistenza interna RC (questa caratteristica è detta retta di carico statica). Le coordinate del punto individuato sono la VCEQ e ICQ cercate.

Il punto Q può trovarsi in tre zone distinte della caratteristica:

  • la zona attiva
  • la zona di sturazione
  • la zona di interdizione

Zona attiva

La zona attiva lineare (active) è quella al centro della caratteristica dove le curve sono rettilinee. In questa zona il valore di IC può essere considerato costante (non dipende da VCE) e proporzionale a IB:

`I_C=h_(FE)I_B`

dove hFE è detto guadagno di corrente statico nella configurazione ad emettitore comune.

Saturazione e interdizione

La zona di saturazione (saturation) è la parte più a sinistra dove le curve si sovrappongono, IC non è costante e VCE è piccola (0,2÷0,4 V). Il valore di IC non aumenta con IB e il suo valore è limitato da quello del punto di saturazione ideale (generatore equivalente in cortocircuito). In questa zona il comportamento del BJT è simile a quello di un cortocircuito o di un interruttore chiuso.

la zona di interdizione (cutoff) è quella corrispondente alla curva con IB = 0. La corrente IC risulta trascurabile (è presente una corrente di fuga ICEO) e il comportamento del BJT è simile a quello di una resistenza infinita o di un interruttore aperto. Il punto di interdizione ideale coincide col punto di funzionamento a vuoto del generatore equlivalente.

Un transistor funziona in commutazione quando viene utlizzato solo nelle zone di saturazione e interdizione. Il funzionamento ON-OFF è tipico delle applicazioni elettroniche digitali - caratterizzate da due stati logici - o per pilotare carichi di potenza - dove la potenza dissipata dal transistor è trascurabile perché la corrente (OFF) o la tensione (ON) valgono zero.

Extra

  • lezione multimediale 13A.1 (polarizzazione del BJT)
  • scheda integrativa 13A.3 (datasheet)

3 Idealizzazione del modello statico del BJT

Come per il diodo il BJT può essere approssimato ad un modello ideale lineare che permette di studiare il transistor analiticamente invece che per via grafica. La figura 7 mostra le caratteristiche di ingresso e di uscita idealizzate. Osserviamo che:

  • la caratteristica di ingresso corrisponde a quella di un diodo (VBE costante)
  • nella caratteristica di uscita la IC è costante (le curve sono rette orizzontali) e il comportamento è quello di un generatore di corrente ideale di comandato dalla corrente IB con hFE costante
  • si trascurano la tensione tra collettore ed emettitore in saturazione VCEsat e la corrente di collettore in interdizione (la retta corrispondente a IB = 0 passa per l'origine)

La figura 8 mostra una rappresentazione circuitale del modello statico idealizzato per i BJT NPN e PNP.

4 Studio analitico della polarizzazione in zona attiva

Nello studio della polarizzazione si assumono hFE e VBE costanti e si utilizzano le relazioni già viste:

`I_E=I_C+I_B`2)` quad , quad I_C=h_(FE)I_B quad , quad V_(CE)=V_(CB)+V_(BE)`

Polarizzazione a emettitore comune

Considerato il circuito di figura 8 per la maglia di ingresso e per quella di uscita valgono le relazioni:

`V_(BB)=R_B I_B + V_(BE)`

`V_(C\C)=R_C I_C + V_(CE)`

Polarizzazione automatica

Il circuito di polarizzazione automatica mostrato in figura 10 si distingue dal precedente per la resistenza di emettitore RE. Questa resistenza introduce una retroazione negativa che ha l'effetto di stabilizzare il punto di funzionamento a riposo rispetto alle variazioni dei parametri tipiche dei transistor (hFE, VBE)3). Infatti vale:

`I_B=(V_(BB)-V_(BE)-R_E I_E)/R_B`

e un eventuale aumento della corrente IC viene compensato da una diminuzione della IB per la maggiore cdt su RE (lo stesso vale se si ha una diminuzione). Per dimensionare la resistenza di emettitore si usano le formule pratiche:

`V_(RE)=R_E I_E = 1/10 V_(C\C) quad , quad R_B/R_E = 20`

La figura 12 mostra un circuito di polarizzazione automatica con alimentazione singola dove la resistenza RB è collegata a VCC. A questo circuito è preferibile quello con partitore di base di figura 13 che permette di scegliere a piacere sia il valore di RE che quello di RB 4).

Saturazione del BJT (dalla scheda integrativa 13A.1)

La condizione per verificare se un BJT è in saturazione è:

`I_B>=(I_(CMAX))/(h_(FEmin))`

dove `I_(CMAX)=V_(C\C)/R_C` 5) è la corrente corrispondente al punto di saturazione ideale e `h_(FEmin)` è il valore minimo dichiarato dal costruttore.

Altri modi per escludere che il transistor sia in saturazione sono:

  • verificare che la VCE sia maggiore di zero (è il metodo utilizzato negli esercizi del testo)
  • verificare che la VCB sia maggiore di zero (in saturazione la giunzione base-collettore è polarizzata direttamente)
  • verificare che la corrente di collettore sia minore di quella corrispondente al punto di saturazione ideale (VCC/RC)

Extra

  • sono importanti tutti gli esempi: 1 (ricavare il punto di funzionamento), 2 (variazioni di hFE con e senza polarizzazione automatica), 3 (dimensionare i resistori nel circuito di polarizzazione automatica con partitore di base), 4 (variazioni di hFE nel circuito di polarizzazione automatica con partitore di base), 5 (ricavare il punto di funzionamento nel circuito di polarizzazione automatica con partitore di base)
  • problemi svolti: 1 (polarizzazione diretta - dimensionamento), 3 (polarizzazione automatica - punto di funzionamento), 4 (polarizzazione automatica - dimensionamento)
  • problemi da svolgere: 8 (verifica saturazione), 10 (polarizzazione diretta - dimensionamento), 12 (polarizzazione automatica - dimensionamento), 13 e 14 (polarizzazione automatica con partitore di base - punto di funzionamento e dimensionamento)
  • scheda integrativa 13A.1 (studio analitico del funzionamento ON/OFF)
  • scheda di laboratorio 13A.3 (polarizzazione con e senza resistenza di emettitore)

5 La fisica del BJT

Premessa: dal momento che si tratta di un argomento piuttosto complesso e poco rilevante ai fini pratici procediamo con una trattazione semplificata (e senza formule) considerando il caso di un transistor NPN6).

La figura sottostante rappresenta schematicamente la doppia giunzione PN presente in un transistor BJT di tipo NPN e mette in evidenza il moto degli elettroni responsabile delle tre correnti (di emettitore, collettore e base).

correnti nel BJT NPN

Quando la giunzione tra base ed emettitore viene polarizzata direttamente gli elettroni presenti nell'emettitore diffondono verso la base, come avviene nei diodi, ma invece di fuoriuscire dal terminale di base proseguono verso la giunzione base-collettore e la attraversano comportandosi da cariche minoritarie in presenza di una giunzione polarizzata inversamente 7). Il passaggio degli elettroni dall'emettitore al collettore è possibile perché la base è poco drogata e presenta uno spessore molto ridotto. Per gli stessi motivi la corrente di base è molto debole, infatti è dovuta:

  • alle lacune che dalla base diffondono verso l'emettitore (poche perché la base è poco drogata)
  • agli elettroni che si ricombinano in base (pochi per la scarsità di lacune e il ridotto spessore della base)

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1)
bias in inglese
2)
Spesso si può porre: `I_E~~I_C`
3)
variazioni dovute a tolleranze costruttive e alla temperatura
4)
i valori di RB e VBB vanno calcolati con Thevenin
5)
in alternativa `I_(CMAX)=(V_(C\C)-V_(CEsat)\)/R_C`
6)
nel libro si considera un PNP
7)
il collettore ha un potenziale positivo e attrae gli elettroni presenti in base provenienti dall'emettitore
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sezione_13a.txt · Ultima modifica: 2016/09/06 14:54 (modifica esterna)