|
Amplificatore a BJT
IL
TRANSISTOR: IL CUORE
DI UN AMPLIFICATORE
CHE
COS'È IL TRANSISTOR
Un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un dispositivo a
tre terminali costituito da materiale semiconduttore drogato e può
essere usato in applicazioni di amplificazione o switching.
I transistor bipolari sono così chiamati poichè il loro
funzionamento interessa sia gli elettroni che le lacune, al contrario
di quelli unipolari in cui il flusso di cariche è di un solo tipo.
Sebbene una piccola parte della corrente del transistor è
dovuta al flusso delle cariche maggioritarie, la maggior parte di essa
è dovuta al flusso di quelle minoritarie, e quindi i BJT sono
classificati come dispositivi a cariche minoritarie.
LA
STRUTTURA FISICA
Un BJT è composto da 3 regioni di semiconduttori
differentemente drogati: emettitore, base e collettore, connessi
rispettivamente ai terminali E, B, C.
La base è fisicamente collocata tra emettitore e collettore ed
è composta da materiale ad alta resistività, leggermente drogato.
Il collettore circonda la regione dell'emettitore, rendendo
pressoché impossibile per gli elettroni iniettati nella base di
fuggire. Una visione della sezione trasversale del BJT mostra come la
giunzione base-collettore ha un'area molto più estesa rispetto a quella
base-emettitore.
LA
CORRETTA POLARIZZAZIONE
Il BJT, a differenza di altri transistor, è solitamente un
dispositivo asimmetrico. Questo significa che interscambiando il
collettore con l'emettitore il transistor passa dalla zona attiva
all'interdizione.
Il collettore è leggermente drogato, al contrario
dell'emettitore. Questo permette di polarizzare la giunzione
collettore-base con una elevata tensione inversa senza raggiungere il
breakdown. La suddetta giunzione è, normalmente, polarizzata
inversamente.
La ragione per cui l'emettitore è pesantemente drogato è per
incrementare l'efficienza d'iniezione dell'emettitore, ovvero il
rapporto tra le cariche iniettate dall'emettitore e quelle iniettate
dalla base.
Per ottenere un elevato guadagno di corrente, la maggior parte
delle cariche iniettate nella giunzione base-emettitore devono
provenire dall'emettitore.
IL
BJT COME AMPLIFICATORE
Lievi
variazioni della tensione applicata tra i terminali base-emettitore
comportano un cambiamento significativo della corrente che scorre tra
emettitore e collettore.
Questo effetto può essere utilizzato per
amplificare la tensione o la corrente d'ingresso.
Pertanto i BJT
si possono pensare come sorgenti di corrente controllate in tensione,
anche se sono più semplicemente impiegabili come sorgenti di
corrente controllate in corrente (ovvero amplificatori di corrente)
grazie alla bassa impedenza di base.
AMPLIFICATORI
A TRANSISTOR
La
maggior parte degli amplificatori attualmente sul mercato non
utilizzano più i tubi a vuoto, eccezion
fatta per apparecchiature particolarmente costose.
I
transistor hanno soppiantato le valvole in numerosi settori del campo
elettronico per affidabilità e qualità; gli amplificatori a
transistor sono pertanto molto diffusi e versatili.
Lo
schema di base di un amplificatore
a transistor non è molto diverso da quello di
un amplificatore
a valvola.
Nella
pratica il transistor non opera in modo lineare, il che costringe ad
operare una correzione mediante
un segnale di bias
applicato alla base del transistor: questo segnale costringe il
transistor ad
operare in una zona di linearità.
Il guadagno dell'amplificatore
dipende sia dal tipo di transistor che dal circuito esterno, ed è
fissato dal costruttore in fase di progetto.
Un
amplificatore di qualità è generalmente costituito da uno stadio di
ingresso nel quale sono presenti uno o più transistor che
preamplificano il segnale per portarlo ad un livello tale da poter
essere utilizzato da altri transistor, denominati finali, i quali
alzano ulteriormente il livello di tale segnale che viene poi
trasferito ad un diffusore acustico con caratteristiche adeguate alla
potenza che l'amplificatore è in grado di erogare.
I transistor
finali lavorando generano calore ed è per questo motivo che occorre
montarli su un dissipatore (generalmente in alluminio) di dimensioni
proporzionate alla potenza in watt da dissipare, il quale, per
convezione, trasferisce all'ambiente il calore prodotto dalle
giunzioni dei finali.
Tra
i vantaggi di tale sistema si segnalano il costo, più contenuto
grazie alla tecnica costruttiva, e la maggiore affidabilità. Il
suono di un amplificatore a transistor è considerato ad alta fedeltà
poiché la riproduzione è più accurata e meno soggetta a
deperimento. Il suono è più secco, piatto, caratteristica ricercata
e desiderata.
PROGETTO DI UN AMPLIFICATORE IN CLASSE B
Per realizzare un amplificatore in
classe B procediamo come spiegato in questo capitolo.
Sotto, lo schema completo del
progetto.
 Il punto A
è circa a potenziale
Vcc/2 per cui ammettendo che la Vcesat sia trascurabile, posso
scrivere Vm=Vcc/2.
La potenza è quindi data da:
Pu=  =
possiamo quindi calcolare:
Vcc2=
Sulla Re supponiamo si perda circa
il 10% della potenza sul carico per cui all'incirca:
Re=1/10*R1=0,8 Ω
(valore commerciale: 0,82 Ω).
Possiamo
quindi calcolare:
Vcc= = =16,8V
Possiamo
usare 18V per tenere conto della Vce di saturazione (inoltre 18V è
un valore più commerciale).
Dato
che Pu=(Vm*Im)/2 si ha che Im=2Pu/Vm e ho assunto Vcesat e la caduta
su Re è di circa 1,2V.
Per
il calcolo di Im posso tener conto anche di un'altra equazione più
esatta (quella preceduta non è sufficienti garanzie per
l'imprecisione sulla Vr).
Pu= da
cui:
Im= =  =
1,01 A
Possiamo
calcolare la potenza dissipata dai finali:
Pd=
F * Pu = 0,2 * 4,5= 0,9 watt
Questo
in linea teorica; per essere più esatti conviene calcolare la Pd
usando le formule esatte. Dallo studio del classe B si è ricavato
che:
Pd= = =
0,91 watt
Come
si vede è maggiore del caso precedente. Scegliamo ora
la coppia dei
finali fra quelli disponibili scegliamo la coppia
BD201-BD202 che
supponiamo Icmax=8 A
e
Pdmax=80 watt, per cui i limiti sono largamente sufficienti. Dalle
caratteristiche ricavo Ibm e Vbem che mi servono anche per il
dimensionamento del finale.
Ibm=15mA,
Vbem=0,8V
Vim=Re*Im+Vbem=0,82*1,01+0,8=1,628V
Per D1 e D2 si possono scegliere due diodi al silicio, ad esempio
1N4148.
Per eliminare la distorsione incrociata ricavo l'equazione della maglia
segnata in figura:
2Vγ + R5
* Icq'
= 2VBEQ +
2 Re *
ICQ (1)
ICQ'
= Corrente del driver
ICQ
= Corrente di riposo del finale (per evitare la distorsione
incrociata)
VBEQ
= VBE Di riposo del finale
Come
ICQ si può scegliere  di
quella di picco:
ICQ
= *
1,01 = 10,1 mA cui corrisponde una VBEQ ≈ 0,6V
R5
= 
(2)
La
corrente del driver è decisa da ICQ' = Iim
+ .
Per
la R' si può usare una formula approssimativa, dato che su di essa
deve essere dissipata una potenza molto piccola rispetto alla PL
, percui R' ≈ 10 RL (non deve essere troppo elevata per
non creare troppa caduta di tensione).
R'
= 10 * 8 ≈ 80 Ω (valore commerciale di 82 Ω).
Supponendo
che la Vbe e la caduta su Re siano trascurabili
possiamo scrivere che Vceq' ≈  percui
posso, dall'equazione della maglia di uscita del driver, ricavare
subito Vceq' ≈ R * Icq' = 9 V
da
cui R = 
(ICQ' deve sottostare alla condizione ICE =
Iim + =>
ICQ'
– Iim =
=> RICQ' – Iim * R = Vim (RICQ
= Vcc/2)
-
Vim = R * Iim da cui posso calcolare R =  =  *
10 3 = 491 Ω (valore
commerciale di 470 Ω)
Calcolo
quindi ICQ' = 15 * 10-3 +  =
18,46 mA
Posso
calcolare quindi R5 in base alla (1) (maglia 2):
R5
=  =
 =
 ≈
8,9 Ω (valore commerciale 8,2 Ω)
In
sede realizzativa posso inserire un trimmer da 4,7 Ω per una
taratura migliore.
Calcolo
ora Re' in modo che su di essa cada circa 0,5 V percui:
Re'
=  =
 =
27 Ω
Facciamo
la verifica per il driver:
VCEQ'
= Vcc – [(R' + R) * ICQ' + 2 Vγ +
R5 * ICQ' + Re' * ICQ'] =
18 – [10 + 1 + 0,151 + 0,5] =
18
– 11,65 = 6,35 V
La
VCEQ' = è leggermente inferiore a quanto necessario
perchè il driver non vada in saturazione, si puù diminuire R ed
impiegare ad esempio 390 Ω .
In
questo caso VCEQ'= 18- (7,4+1+1,152+0,5) ≈ 8 V (si vedrà
poi in sede di verifica sperimentale).
Calcoliamo
ora R3 ed R4. La potenza che deve dissipare il
driver è calcolata con:
PD
= VCEQ' * ICQ' ≈ 9*19*10-3 = 171
mW
Va
bene anche un BJT non di potenza in grado di sopportare 171 mW e una
corrente di circa 20 mA
Può
andar bene il 2N1711 che ha dei limiti di corrente e tensione
largamente sufficienti.
HFEmin = 100 non avendo dati più precisi e visto
che la ICQ'
è relativamente bassa assumo VBEQ=0,6V
Suppongo che la
corrente del partitore sia molto maggiore di quella di base in modo
da poterla trascurare:
IP= *
(R3+R4) = 0,1*ICQ' ≈ 2 mA
(R3+R4)
=  =
 =
4,5 K
Per R4
scrivo la equazione della maglia segnata in figura:
IP' ≈
IP (trascuro la corrente di base).
R4*IP'
= VBEQ' + RE*ICQ' = 0,6+0,5 = 1,1 V
R4 =  *
103 = 550 Ω ( v.c. 560 Ω )
Quindi
R3
= 4500 – 550 = 3950 (v.c. 3900 Ω )
Il
progetto può dirsi a questo punto concluso, ovviamente in sede di
verifica sperimentale saranno necessarie alcune modifiche per la
messa a punto finale.
Fotografia
dell'amplificatore assemblato:
|
