Il transistor ha rivoluzionato la nostra vita. Con l'avvento dei semiconduttori hanno sostituito le valvole elettroniche, il che ha permesso la produzione, con dei costi molto contenuti e accessibili a tutti, di microprocessori a elevata capacita di calcolo e circuiti a bassa potenza che ci circondano ogni giorno, più la tecnologia avanza e più riusciamo a ridurre le dimensioni dei componenti, aumentando così il numero di componenti all’interno di un singolo chip. Ma cosa succede in realtà all'interno dei nostri package? Cosa è l'"effetto transistor"? Cerchiamo di capire come funzionano e come utilizzarli nei nostri circuiti.
Scopriamo come amplificare un segnale e alimentiamo i nostri attuatori per poterli collegare ai nostri microcontrollori preferiti.
Dopo aver analizzato e compreso il principio di funzionamento di un transistor a BJT e il suo impiego come ON-OFF nell'articolo "Alla scoperta del transistor a BJT: attuatori e amplificatori. Parte 1/2" vediamo come utilizzarlo per amplificare un segnale di qualunque tipo.
(in questo articolo verrà fatto riferimento sia a valori in continua, visti nell'articolo precedente, indicati con lettere maiuscole e pedici maiuscoli, sia a valori variabili, quelli del segnale, indicati con lettere minuscole e pedici minuscoli; i valori complessivi sono indicati con lettere minuscole e pedici maiuscoli)
Per comprendere il meccanismo con cui il BJT amplifica i segnali, partiamo dal circuito di polarizzazione a emettitore comune, inserendo un generatore di tensione sinusoidale vi nella maglia di ingresso.
- Nella maglia di ingresso, la polarizzazione è realizzata in modo che nonostante le variazioni del segnale, sia mantenuto il punto di lavoro al di sopra della soglia 0,6 V;
- Nella maglia d'uscita, le variazioni producono oscillazioni in alto e in basso lungo la retta di carico;
La retta di carico esprime l'andamento tra tensione e corrente imposta da RC delineando il movimento del punto di lavoro secondo il segnale imposto in ingresso all'amplificatore.
Per valutare le caratteristiche di un amplificatore si definiscono i seguenti parametri:
- Resistenza d'ingresso
- Resistenza d'uscita
- Guadagno di tensione
- Guadagno di corrente
- Guadagno di potenza
- Massimo segnale d'ingresso
- Sensibilità (valore minimo in ingresso)
- Risposta in ampiezza: è il grafico che esprime l'andamento del guadagno di tensione espresso in dB, in funzione del segnale sinusoidale posto in ingresso e si definisce banda passante la differenza tra due frequenze di taglio entro le quali l'amplificatore mantiene un guadagno costante entro 3dB dal suo picco;
- Distorsione (che si divide in distorsione lineare, quando lo spettro del segnale non è compreso nella banda passante, e distorsione non lineare, quando il legame imposto tra segnale di ingresso e uscita non è lineare)
- Rumore (segnale spurio che si somma al segnale ed è causato dal funzionamento dei componenti dell'amplificatore)
Un amplificatore a emettitore comune si può realizzare completando il circuito di polarizzazione con un sistema di stabilizzazione del BJT e i condensatori d'accoppiamento e di by-pass.
Il circuito di polarizzazione e stabilizzazione (A) presenta un partitore di tensione R1 e R2 sulla base e il resistore RE sull'emettitore. Questo circuito permette di evitare le variazioni di polarizzazione di IC0 dovute a vari disturbi o anche ad effetti termici del BJT visti nell'articolo precedente riguardo all'hFE.
Qui il partitore R1-R2 mantiene il potenziale della base a un valore costante, indipendentemente dalle variazioni indesiderate della corrente di base, per questo la corrente che passa nel partitore deve essere molto maggiore di quella della base (IR1>>IB IR1=IBx10); la resistenza RE realizza una retroazione negativa tra la maglia d'uscita e la maglia d'ingresso che tende a stabilizzare IC0.
La resistenza RE viene scelta imponendo VRE0=Vcc/10, mentre RC viene dimensionata attraverso la formula VRC=(Vcc-VRE)/2 portandoci cosi al centro della zona attiva.
Ad ogni aumento della IC, indipendentemente dalla causa che lo determina, provoca un aumento di IE e quindi, per la legge di Ohm, di VRE ma, se VB0=VRE-VBE=k (costante) ne deriva che l'aumento di VRE corrisponde a una diminuzione di VBE, la diminuzione di quest'ultima provoca una riduzione della IB (curva caratteristica di ingresso) e di conseguenza si riduce anche la IC riportando il punto di lavoro al valore di progetto.
Ma se collegassimo direttamente il nostro segnale, esso verrà visto dal circuito come un disturbo e non produrrà amplificazione, per questo ci avvaliamo delle caratteristiche dei condensatori per avere un buon circuito di amplificazione.
I condensatori di accoppiamento consentono di isolare lo stadio amplificatore dal punto di vista della continua e quindi di non alterare i valori di polarizzazione una volta collegati i circuiti a monte e a valle. Questo grazie alla reattanza del condensatore, realizzando due filtri passa alto che consentono il passaggio solo alle componenti variabili con frequenza superiore a quella di taglio.
Il condensatore di by-pass realizza la separazione sulle due componenti (continua e variabile) poiché:
- la componente continua IE circola in RE, in quanto incontra in CE una reattanza infinita;
- la componente di segnale ie circola in CE, se superiore alla frequenza di taglio, incontrando una reattanza molto minore in esso;
Da questo schema complessivo, si posso ricavare i seguenti circuiti per l'analisi:
- Circuito statico (A): schema con resistenze e generatori, considerando i condensatori dei circuiti aperti, che determina la corretta polarizzazione e stabilizzazione;
- Circuito dinamico in banda passante (B): schema complessivo considerando solo gli effetti del segnale, i generatori di alimentazione vengono cortocircuitati e in banda passante vengono trascurati gli effetti reattivi;
- Circuito equivalente (C): è un quadripolo lineare formato da resistenze e generatori che schematizza il comportamento del BJT quando presenta un comportamento pressoché lineare, può essere studiato per determinare vari parametri dell'amplificatore.
Analizzando l'amplificatore in regime statico e in regime dinamico si evidenziano la retta di carico statica (tiene conto della corrente continua che
passa in RE e non quella di RL) e la retta di carico dinamica (RE viene by-passata e RC e RL sono in parallelo); entrambe passano per il punto di lavoro P, ma quella dinamica ha un coefficiente angolare maggiore di quella statica.
Dall'analisi del circuito equivalente per piccoli segnali si ricavano le seguenti espressioni utili a stimare i parametri dell'amplificatore:
Oltre all'amplificatore ad emettitore comune è possibile utilizzare amplificatori a collettore comune o a base comune in modo da soddisfare le esigenze del nostro progetto:
Amplificatore a collettore comune (o inseguitore): ha un guadagno di tensione pari a circa 1 ma con un guadagno di corrente pari a circa hfe, grazie alla sua alta resistenza in ingresso e la sua bassa resistenza in uscita ci permette di riprodurre lo stesso segnale in ingresso verso l'uscita in modo da isolare il circuito a valle e a monte.
Immagini da: "Elettrotecnica ed elettronica" - Zanichelli
Amplificatore a base comune: ha un guadagno di tensione abbastanza elevato e un guadagno di corrente pari a circa 1, ha una resistenza in ingresso bassa e la resistenza in uscita corrisponde a RC. Questo tipo di amplificatore è utilizzato in apparati radiotelevisivi visto che si adatta alla bassa impedenza delle antenne.
Conclusioni
Il mondo dei transistor è molto ampio, come ampie sono le sue applicazioni. Vi basti pensare che un manuale di elettronica conta circa 300 pagine solo su questo tipo di componente, argomentando dalla polarizzazione all'amplificazione di piccoli segnali e dall'amplificazione di potenza a quella a radiofrequenza, utilizzando transistor a BJT ma anche di tipo FET. Questi due articoli non sono altro che un'infarinatura generale su questo argomento ma possono essere utili per capirne il corretto funzionamento e realizzare delle applicazioni per i nostri progetti. Resto a disposizione nei commenti per rispondere alle vostre domande ed eventualmente approfondire gli aspetti più ostici della materia.
Ottimo articolo.
2 puntualizzazioni al volo: mi sa che c’è un refuso: RC non Rc.
E poi, collettore comune è inseguitore ma è bene dire di cosa e perchè. 😉
Grazie per l’avviso.
Riguardo all’inseguitore in effetti è più chiaro specificare che è un inseguitore di tensione.
Scrivere RC di solito indica una serie Resistenza Condensatore (Filtro), Rc invece indica la Resistenza di collettore… Tutto qui riguardo alla scelta della simbologia 😉
puo’ interessare un oscillatore a rilassamento ( a dente di sega) con tre componenti 1 tr NPN 1 resistenza ed un condensatore?
Due denti di sega a specchio isocrone ritardo zero con 1 tr NPN 2 res 1 cond?