SOFTMAX - CIRCUITO AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE


TRATTAZIONE AVANZATA 

  CIRCUITO AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE Status
Caratteristiche generali
La polarizzazione
I coefficienti di stabilità
Stabilizzazione del punto di lavoro
Studio della configurazione ad emettitore comune in regime dinamico

Caratteristiche generali

Lo schema elettrico di un amplificatore monostadio ad emettitore comune,con transistor di tipo npn,presenta:

  • un circuito di polarizzazione d'ingresso con batteria Eb e resistore Rb

  • un circuito di polarizzazione di uscita con batteria Ec e resistore Rc

come possiamo notare dalla fig.1 i due circuiti risultano parzialmente sovrapposti e sono interessati dalle correnti Ib ed Ic legate dalla seguente relazione:

Ie = Ic + Ib

Fig.1

Circuito d'ingresso

La tensione fornita dalla batteria Eb alimenterà in serie il resistore Rb e la giunzione base-emettitore Vbe,per cui l'equazione della maglia d'ingresso sarà:

Eb = Rb Ib + Vbe

Il valore di Vbe è noto e caratteristico per i transistor bigiunzione al silicio,ovvero 0,6 - 0,7 V. Da cui ricaviamo:

in fase di progetto

Rb = (Eb -Vbe) / Ib

in fase di verifica

Ib = (Eb - Vbe) / Rb

Circuito di uscita

La fem della batteria Ec alimenterà, in serie,il resistore Rc e la connessione collettore -  emettitore Vce,per cui l'equazione della maglia sarà:

Ec = Rc Ic + Vce

in fase di progetto

Rc = (Ec -Vce) / Ic

in fase di verifica

Ib = (Ec - Vce) / Rc

 

La polarizzazione

Il circuito analizzato presenta due batterie distinte, una di base Eb ed una di collettore Ec. Nella pratica ed anche nell'intento di semplificare lo schema circuitale, possiamo osservare che sia la base che il collettore hanno, per quel che concerne la polarizzazione, la stessa polarità, in questo caso positiva !!! Si può quindi utilizzare la sola batteria Ec per alimentare entrambe i circuiti. Ciò si ottiene con due sistemi: a resistore singolo, a partitore.

Polarizzazione a resistore singolo

Fig. 1

Lo schema circuitale si presenta come in fig.1.

L'equazione della maglia d'ingresso è identica a quella già vista con la sola sostituzione di Eb con Ec. Il circuito di polarizzazione risulta quindi con una resistenza di base pari a:

Rb = (Ec -Vbe) / Ib

La batteria dovrà quindi erogare l'intera corrente di emettitore Ib + Ic !!!

La polarizzazione così ottenuta, anche se corretta, presenta la particolarità di avere una resistenza Rb molto elevata: come vedremo il valore di Rb ha un peso sul segnale d'ingresso, sulla stabilità termica per cui un valore troppo elevato può non essere indicato.

Polarizzazione a partitore

Fig. 2

La polarizzazione a partitore impiega un partitore ohmico di tensione composto da R1-R2 ed alimentato dalla batteria Ec per fornire alla base del transistor la tensione di polarizzazione necessaria: più esattamente il potenziale di base è fornito dal prodotto tra Iq ed R2. Come vedremo più dettagliatamente in seguito l'effetto di <<stabilizzazione del punto di lavoro del transistor >> risulterà tanto migliore quanto la Iq sarà maggiore in rapporto alla Ib ed alla Icbo, dovuta quest'ultima ai portatori di carica minoritari della giunzione base-collettore che è facile vedere risulta lavorare polarizzata inversamente. Questo vuol dire che il partitore di tensione deve avere resistenza molto bassa. Una regola molto applicata in sede di progetto consiglia di assumere un valore di Iq pari a 10Ib !!! Vediamo un piccolo esempio di dimensionamento.

Per un calcolo sufficientemente approssimato del partitore occorre per prima cosa determinare il valore di Iq che attraversa R2: assumiamo di avere una tensione Ec = 10V ed una  Ib = 200 µA = 0,2 mA, da cui ricaviamo che Iq = 10 x 0,2 mA = 2 mA. La resistenza R2 si calcola con la legge di Ohm conoscendo la tensione che agisce su R2, pari alla tensione tipica Vbe cioè circa 0,7 Volt e la corrente Iq, ovvero:

R2 = Vbe / Iq = 0,75 / 0,2 10¯³ = 375 Ω

La resistenza R1 viene determinata applicando la legge di Ohm al ramo del partitore, ovvero:

R1 = (Ec - Vbe) / (Iq + Ib)

da cui:

R1 = ( 10 - 0,7) / (0,2 10¯³  + 2 10¯³) = 4,2 KΩ

I coefficienti di stabilità

Lo studio fatto dei circuiti di polarizzazione in regime costante, cioè in assenza di segnale di bassa frequenza modulante, risulta assolutamente approssimato, poiché basato unicamente sulle cariche maggioritarie, indubbiamente prevalenti, ma non uniche nel produrre le correnti di funzionamento del transistor. Non possiamo non evidenziare il fatto che il transitor allo studio è alimentato in modo da produrre polarizzazione inversa sulla giunzione collettore - base. In assenza di corrente di base, che arricchisce di cariche minoritarie la giunzione collettore - base, esistono ugualmente cariche minoritarie proprie dovute alla rottura dei legami covalenti del semiconduttore, causati essenzialmente dall'agitazione termica e da cui ne consegue che, anche in assenza di polarizzazione, nella giunzione base - collettore scorre una piccola corrente che indichiamo con Icbo. Volendo mettere in relazione le correnti di collettore e base con la Icbo, otteniamo:

Ic = bIb + (b + 1)Icbo

Questa relazione è di notevole importanza perché ci fornisce le seguenti informazioni:

  • la corrente Ic è dovuta al contributo di bIb dipendente dalla corrente di base e (b + 1)Icbo dipendente dalla corrente inversa Icbo.

  • analizzando ulteriormente il termine dovuto alla corrente inversa, esso è il risultato di due altri termini Icbo + bIcbo, dove Icbo rappresenta la corrente inversa che scorre nel collettore e bIcbo rappresenta l'effetto della corrente inversa di base, amplificata di b volte !!!

L' instabilità del punto di lavoro di un transistor è strettamente correlato al fenomeno della deriva termica, che determina la variazione di due grandezze elettriche: Vbe ed Icbo. Andiamo dunque ad analizzarle separatamente.

Variazione di Vbe

La giunzione base-emettitore lavora polarizzata direttamente, quindi si comporta esattamente come un diodo. Con la temperatura varia il <<valore di soglia>> e quindi si ottiene uno slittamento del punto di lavoro e della caratteristica d'ingresso, da cui ne consegue una variazione anche della corrente di polarizzazione. Il gradiente termico relativo a questo fenomeno, per transistor normali, è di circa:

Δ Vbe / Δ T = - 2,5 mV / °C

Variazione di Icbo

Nella precedente relazione abbiamo visto come la corrente di collettore contenga il termine (b + 1)Icbo, contenente <<l'amplificazione di una corrente impropria Icbo !!!>>. L'aumento della corrente Icbo causata da un aumento della temperatura ambiente o della temperatura della giunzione per dissipazione propria, determina un aumento della corrente di collettore, che va a modificare il punto di lavoro scelto in sede di progetto. Qualora manchino contromisure tese a contenere queste derive è possibile in certi casi l'innesco di una reazione a catena che può portare alla distruzione della giunzione !!! Sperimentalmente la dipendenza fra temperatura ed Icbo mostra che per ogni 10 °C d'incremento la Icbo raddoppia !!!

Questa dipendenza è espressa dalla seguente funzione:

Icbo' / Icbo = 2 elevato a Δ T / 10

dove abbiamo:

  • Icbo' la corrente inversa alla temperatura T'

  • Icbo la corrente inversa alla temperatura T

  • Δ T la variazione di temperatura T' - T

segue . . . 


Softmax Production