BJT: polarizzazione, amplificatore e commutazione
Introduzione
Un transistor non fa nulla di utile finché non gli si dice dove stare. Il punto di lavoro — quella coppia di numeri IC e VCE che il circuito impone in assenza di segnale — decide tutto il resto: quanto guadagna, quanto segnale può gestire prima di tosare, quanto scalda, e quanto di tutto questo cambia se al posto del transistor ne mettete un altro dello stesso sacchetto.
È il motivo per cui questa pagina è costruita attorno a un punto di lavoro solo. La prima card lo calcola, le altre lo ereditano: il grafico lo disegna, l’amplificatore ci costruisce sopra i parametri di piccolo segnale, i condensatori si dimensionano sulle impedenze che ne discendono. Potete sempre scollegare una card e darle numeri vostri, ma il percorso naturale è quello.
La seconda idea è che i resistori li vendono solo in certi valori. Ogni resistenza calcolata la trovate in tre colonne — teorica, E24, E96 — e sotto il punto di lavoro ricalcolato con i valori commerciali. Quello è il circuito che monterete davvero, e non è mai esattamente quello che avete progettato.
| Grandezza | Relazione | Dove serve |
|---|---|---|
| Corrente di base | \( I_B = \dfrac{V_{TH}-V_{BE}}{R_{TH}+(\beta+1)R_E} \) | Polarizzazione |
| Punto di lavoro | \( I_C=\beta I_B,\quad V_{CE}=V_{CC}-I_C R_C-I_E R_E \) | Tutte le card |
| Transconduttanza | \( g_m = \dfrac{I_C}{V_T},\quad V_T=\dfrac{kT}{q} \) | Piccolo segnale |
| Resistenza di base | \( r_\pi = \dfrac{\beta}{g_m} \) | Zin |
| Resistenza di uscita | \( r_o = \dfrac{V_A+V_{CE}}{I_C} \) | Zout, guadagno massimo |
Parametri globali e transistor
Card 1 — Polarizzazione a partitore
| β | IC | VCE | Scarto |
|---|
| Teorico | E24 | E96 |
|---|
Il partitore di base con la resistenza di emettitore è la polarizzazione che si usa quando il circuito deve funzionare con un transistor qualsiasi. La ragione sta tutta nella tabella della stabilità: raddoppiate β e guardate di quanto si sposta IC. Con RE al suo posto la variazione resta di pochi punti percentuali, senza RE sarebbe proporzionale a β.
La regola pratica dietro il dimensionamento è che la corrente nel partitore sia almeno dieci volte IB: così VB è fissata dal partitore e non dal transistor. Il calcolo qui non la impone — usa il modello di Thévenin completo — ma la tabella vi dice subito se l’avete rispettata.
La riga della potenza dissipata è quella che si dimentica: un TO-92 senza dissipatore sta sotto i 300÷500 mW, e a 12 V bastano 30 mA per arrivarci.
VBE cala di circa 2 mV per grado: a 60 °C il punto di lavoro non è più quello calcolato a 25 °C. Cambiate la temperatura nei parametri globali per vederlo.
Card 2 — Rette di carico e punto Q
La retta di carico statica è il luogo dei punti che l’alimentazione e le resistenze permettono in continua: dal cortocircuito ideale a VCC/(RC+RE) fino all’interdizione a VCE = VCC. Il punto Q ci sta sopra, e dove ci sta lo decide la card 1.
La retta dinamica è più ripida, perché in alternata il carico vede RC in parallelo a RL e non più RC+RE. Passa per lo stesso Q e determina quanto segnale ci sta prima di tosare da una parte o dall’altra.
Il numero che conta è l’ultimo: l’ampiezza simmetrica di picco, cioè il minimo fra la distanza da Q alla saturazione e quella all’interdizione. Se le due distanze sono molto diverse, il punto di lavoro non è centrato e state buttando via metà della dinamica.
Card 3 — Amplificatore a emettitore comune
| Teorico | E24 | E96 |
|---|
In analisi la card parte dal punto di lavoro della card 1 e ne ricava i parametri di piccolo segnale. Con l’emettitore interamente bypassato il guadagno è \( A_v=-g_m(R_C\parallel R_L\parallel r_o) \): il segno meno è l’inversione di fase, e ro è il tetto che l’effetto Early mette al guadagno anche se RC fosse infinita.
Appena mettete una RE1 non bypassata il guadagno crolla a \( -\beta R_C’/(r_\pi+(\beta+1)R_{E1}) \), ma diventa quasi indipendente da β e dalla temperatura: è il baratto che si fa ogni volta, guadagno contro ripetibilità. In quel caso ro lo trascuro nel guadagno, perché la resistenza vista al collettore sale a \( r_o(1+g_m(R_{E1}\parallel r_\pi)) \) e diventa molto maggiore di RC: l’errore è sotto il punto percentuale, e preferisco dirvelo che nasconderlo.
Avs è il guadagno che misurate davvero: fra generatore e base c’è il partitore fra Rs e Zin, e con Zin di un paio di kΩ e un generatore da 600 Ω se ne va già un quarto del segnale prima di entrare nel transistor.
In progetto il verso si inverte: dite quanto guadagno volete e a che corrente, e la card sceglie le resistenze. Le ipotesi sono dichiarate — VE una frazione di VCC, corrente nel partitore dieci volte IB — e il risultato lo trovate subito nelle colonne E24 ed E96 col guadagno che ne esce davvero.
Card 4 — Collettore comune e base comune
| Configurazione | Av | Zin | Zout |
|---|
Le tre configurazioni non sono tre modi di fare la stessa cosa: sono tre strumenti diversi. L’emettitore comune amplifica in tensione e inverte; l’inseguitore ha guadagno appena sotto l’unità ma trasforma un’impedenza alta in una bassa; la base comune ha Zin di poche decine di ohm, che è un difetto in bassa frequenza e un pregio quando dovete chiudere su un cavo da 50 Ω.
La tabella li mette a confronto sullo stesso punto di lavoro, che è l’unico modo onesto di confrontarli. Guardate la colonna Zout: l’inseguitore sta sulle decine di ohm, l’emettitore comune sui kΩ. È questo, non il guadagno, il motivo per cui un inseguitore finisce quasi sempre in coda a una catena.
Le formule dell’inseguitore includono Rs, perché Zout dipende da cosa c’è a monte: \( Z_{out}=R_E\parallel\dfrac{r_\pi+R_s\parallel R_1\parallel R_2}{\beta+1} \).
Card 5 — Cascata di due stadi
Il guadagno di due stadi in cascata non è il prodotto dei due guadagni, ed è l’errore più comune che si fa a mente. Fra il collettore del primo e la base del secondo c’è un partitore fra Zout1 e Zin2, e con due emettitori comuni identici — Zout di 2 kΩ contro Zin di 1,5 kΩ — se ne perde oltre il 40%.
È da qui che nasce l’inseguitore fra i due stadi: non aggiunge guadagno, ma porta Zout1 a poche decine di ohm e recupera quasi tutto quello che il partitore si mangiava. Provate a mettere Av1 = 0,99 e Zout1 = 30 Ω e guardate la riga della perdita.
Card 6 — Condensatori di accoppiamento e bypass
| Condensatore | R vista | Polo | Teorico | E12 |
|---|
Ogni condensatore forma un passa-alto del primo ordine con la resistenza che vede: le formule sono quelle del tool sui filtri del primo ordine, applicate tre volte con tre resistenze diverse.
La regola che uso qui: il polo di CE lo metto alla frequenza inferiore voluta — è il dominante, perché la resistenza che vede è piccolissima — e gli altri due una decade più in basso, così non sommano attenuazione al taglio. Se li mettete tutti e tre alla stessa frequenza vi ritrovate con −9 dB invece di −3 dB.
Il risultato tipico sorprende: CE viene di centinaia di microfarad, mentre Cin e Cout stanno sotto il microfarad. È perché il bypass di emettitore vede \( (r_\pi+R_s’)/(\beta+1) \) in parallelo a RE, cioè poche decine di ohm.
Card 7 — BJT come interruttore
In commutazione il transistor non sta nella zona attiva, quindi β non serve a calcolare IC: la corrente la fissa il carico, e β serve solo a garantire che la base ne mandi abbastanza. Da qui il sovrapilotaggio: si punta a un β forzato di 10÷20, cioè si manda in base cinque o dieci volte la corrente strettamente necessaria, così il transistor resta saturo anche col pezzo peggiore del lotto e a bassa temperatura.
Il prezzo è il tempo di spegnimento: più carica c’è nella base, più tempo ci vuole a svuotarla. Per commutazioni veloci si mette una resistenza fra base ed emettitore o un diodo Schottky di antisaturazione; per pilotare un relè o un LED, il sovrapilotaggio non costa nulla.
Con carico induttivo — relè, motore, solenoide — serve sempre il diodo di ricircolo in antiparallelo, altrimenti l’extracorrente di apertura supera la VCEO e il transistor si buca alla prima commutazione.
Tabelle di riferimento
| Configurazione | Av | Zin | Zout |
|---|---|---|---|
| Emettitore comune, RE bypassata | \(-g_m(R_C\parallel R_L\parallel r_o)\) | \(R_1\parallel R_2\parallel r_\pi\) | \(R_C\parallel r_o\) |
| Emettitore comune con RE1 | \(\dfrac{-\beta R_C’}{r_\pi+(\beta+1)R_{E1}}\) | \(R_1\parallel R_2\parallel[r_\pi+(\beta{+}1)R_{E1}]\) | \(\simeq R_C\) |
| Collettore comune | \(\dfrac{(\beta{+}1)R_E’}{r_\pi+(\beta{+}1)R_E’}\) | \(R_1\parallel R_2\parallel[r_\pi+(\beta{+}1)R_E’]\) | \(R_E\parallel\dfrac{r_\pi+R_s’}{\beta+1}\) |
| Base comune | \(g_m(R_C\parallel R_L)\) | \(R_E\parallel\dfrac{r_\pi}{\beta+1}\) | \(R_C\parallel r_o\) |
| Transistor | Tipo | β tipico | a IC | VCEO |
|---|
I β sono valori tipici da datasheet alla corrente indicata, non garanzie: la dispersione di produzione va facilmente da metà al doppio, e sullo stesso pezzo β cambia con la corrente e con la temperatura. Un circuito che funziona solo con il β tipico è un circuito rotto.
VA non compare quasi mai sui datasheet: si ricava dalla pendenza delle curve di uscita, e 100 V è un ordine di grandezza ragionevole per i piccoli segnali al silicio. Se vi serve preciso, misuratelo.