Differenze

Queste sono le differenze tra la revisione selezionata e la versione attuale della pagina.

@@ Linea 1: / Linea 1: @@
+====== 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 //V<sub>BE</sub>// e //I<sub>B</sub>// a //V<sub>CE</sub>// 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 (//I<sub>B</sub>//) e uscita (//I<sub>C</sub>//) è l'emettitore
+  * la caratteristica, che coinvolge la giunzione PN tra base ed emettitore, coincide con quella di un diodo
+  * variando la tensione //V<sub>CE</sub>// 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 //V<sub>CE</sub>// e //I<sub>C</sub>// a //I<sub>B</sub>// costante. Osserviamo che:
+  * la caratteristica dipende dal valore //I<sub>B</sub>// e il grafico rappresenta una famiglia di curve tracciate per un determinato valore di //I<sub>B</sub>//
+  * a parte un ripido tratto iniziale le curve sono quasi orizzontali cioè caratterizzate da un valore di I<sub>C</sub> quasi costante che aumenta al crescere di //I<sub>B</sub>//
+==== 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 ((//bias// in inglese)) 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 //I<sub>B</sub>//, //I<sub>C</sub>// e //V<sub>CE</sub>// 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 //V<sub>BB</sub>// e resistenza interna //R<sub>B</sub>//. L'intersezione Q è chiamato **punto di funzionamento statico (o a riposo) in ingresso** e le sue coordinate //V<sub>BEQ</sub>// e //I<sub>BQ</sub>// sono i valori cercati (//V<sub>BEQ</sub>// 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 //I<sub>BQ</sub>// con la caratteristica del generatore di tensione equivalente con tensione a vuoto //V<sub>CC</sub>// e resistenza interna //R<sub>C</sub>//  (questa caratteristica è detta __retta di carico statica__). Le coordinate del punto individuato sono la //V<sub>CEQ</sub>// e //I<sub>CQ</sub>// 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 //I<sub>C</sub>// può essere considerato costante (non dipende da //V<sub>CE</sub>//) e proporzionale a //I<sub>B</sub>//:
+`I_C=h_(FE)I_B`
+dove //h<sub>FE</sub>// 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, //I<sub>C</sub>// non è costante e //V<sub>CE</sub>// è piccola (0,2÷0,4 V). Il valore di //I<sub>C</sub>// non aumenta con //I<sub>B</sub>// 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 //I<sub>B</sub> = 0//. La corrente //I<sub>C</sub>// risulta trascurabile (è presente una corrente di fuga //I<sub>CEO</sub>//) 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 (//V<sub>BE</sub>// costante)
+  * nella caratteristica di uscita la //I<sub>C</sub>// è costante (le curve sono rette orizzontali) e il comportamento è quello di un generatore di corrente ideale di comandato dalla corrente //I<sub>B</sub>// con //h<sub>FE</sub>// costante
+  * si trascurano la tensione tra collettore ed emettitore in saturazione //V<sub>CEsat</sub>// e la corrente di collettore in interdizione (la retta corrispondente a //I<sub>B</sub> = 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 h<sub>FE</sub> e V<sub>BE</sub> costanti e si utilizzano le relazioni già viste:
+`I_E=I_C+I_B`((Spesso si può porre: `I_E~~I_C`))` 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 R<sub>E</sub>. 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 (//h<sub>FE</sub>, V<sub>BE</sub>//)((variazioni dovute a tolleranze costruttive e alla temperatura)). Infatti vale:
+`I_B=(V_(BB)-V_(BE)-R_E I_E)/R_B`
+e un eventuale aumento della corrente I<sub>C</sub> viene compensato da una diminuzione della I<sub>B</sub> per la maggiore //cdt// su R<sub>E</sub> (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 R<sub>B</sub> è collegata a V<sub>CC</sub>. A questo circuito è preferibile quello con partitore di base di //figura 13// che permette di scegliere a piacere sia il valore di R<sub>E</sub> che quello di R<sub>B</sub> ((i valori di R<sub>B</sub> e V<sub>BB</sub> vanno calcolati con Thevenin)).
+==== 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)-V_(CEsat))/R_C ~= V_(C\C)/R_C`
+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 V<sub>CE</sub> sia maggiore di zero (è il metodo utilizzato negli esercizi del testo)
+  * verificare che la V<sub>CB</sub> 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 (V<sub>CC</sub>/R<sub>C</sub>)
+==== Extra ====
+  * sono importanti tutti gli esempi: 1 (ricavare il punto di funzionamento), 2 (variazioni di h<sub>FE</sub> con e senza polarizzazione automatica), 3 (dimensionare i resistori nel circuito di polarizzazione automatica con partitore di base), 4 (variazioni di h<sub>FE</sub> 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)
+  * {{ ::si_13a1.fm.pdf |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 NPN((nel libro si considera un PNP)).
+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).
+{{:npn.png|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 ((il collettore ha un potenziale positivo e attrae gli elettroni presenti in base provenienti dall'emettitore)). 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)
+/*
+Per gli stessi motivi la corrente di base  alle lacune che dalla base diffondono verso l'emettitore (poche perché la base è poco drogata) e agli elettroni che si ricombinano in base (pochi per la scarsità di lacune e il ridotto spessore della base).
+*/
+===== Navigazione =====
+Torna all'[[start#indice|indice]].