Transistor come amplificatore

Molte delle cose che hai sritto hanno solo un nome: legge di Ohm


Iniziamo dalla configurazione ad emettitore comune. Il segnale amplificato lo si preleva dal collettore del transistor (fra collettore e negativo di alimentazione): una variazione della corrente di base provoca una variazione proporzionale (legata al guadagno in corrente hfe=Ic/Ib) della corrente di collettore e, in conclusione, della tensione di collettore.

Tanto per essere più chiari ammettiamo che in un circuito ad emettitore comune con transistor NPN ci sia la resistenza che collega il collettore al positivo
che ha valore 1Kohm.
Ammettiamo che il transistor abbia un hfe di 100 e una corrente di base di 0,1mA.
La corrente di collettore sarà pari a hfe*Ib = 100 * 0,1mA = 10mA
Questa corrente provocherà, sulla resistenza di collettore una caduta di tensione di 1Kohm*10mA=10V

Ammettiamo ora che la corrente di base passi a 0,11mA.
Rifacendo i calcoli si avrà una corrente di collettore di 11mA e una caduta di tensione sulla resistenza di collettore pari a 11V.

Ecco quindi come fa un transistor ad amplificare. Si tratta di un'amplificazione legata al fatto che una piccola variazione della corrente di base (che deriva da una variazione della tensione di base), provoca una grande variazione della corrente di collettore e della tensione relativa.

Nel caso del collettore comune si ha che la resistenza di emettitore è quella su cui agisce la corrente che scorre attraverso il collettore stesso e esce dall'emettitore (in realtà andrebbe sommata anche la corrente di base che però è spesso trascurabile).

Le considerazioni sono le stesse dell'emettitore comune, tranne per il fatto che in questo caso un aumento della corrente di collettore provoca un aumento della tensione sulla resistenza di uscita (resistenza di emettitore), mentre nel caso dell'emettitore comune si ottiene l'effetto opposto (più aumenta la corrente di collettore, tanto più aumenta la tensione che cade sulle resistenza di collettore e quindi diminuisce quella fra collettore e negativo di alimentazione).

Se non sono stato abbastanza chiaro vedrò di preparare uno schema, perchè descrivere i circuiti a parole è sempre un'avventura.

Ecco lo schema delle 2 configurazioni con la relativa spiegazione.



Innanzi tutto consideriamo il circuito a sinistra, classica configurazione ad emettitore comune.

Per semplificare i calcoli per il momento consideriamo che la resistenza R3 abbia valore di 0 ohm e che quindi l'emettitore di Q1 sia collegato a 0V.

Ammettiamo di avere una tensione d'ingresso di 2V, applicata fra Vin e 0V.
Consideriamo che la tensione base-emettitore del transistor (Vbe) sia di 0,6V, valore sicuramente molto vicino a quello reale di un transistor al silicio.

La corrente di base sarà data dalla seguente formula: Ib = (Vin-Vbe)/R1 = (2-0,6)/100K = 0,014mA

Dal data sheet del BC337 vediamo che l'hfe (Ic/Ib) minimo è di 100.

La corrente di collettore Ic sarà data da: Ic = Ib * hfe = 100*0,014mA = 1,4mA
La tensione VR2 sarà data da: VR2 = Ic * R2= 10K * 1,4mA = 14V
Supponendo di avere +VDC = 24Vcc la tensione misurabile fra Vout e 0V sarà data da: Vout = 24 - 14 = 10V

Ricapitolando con 2V in ingresso in uscita abbiamo 10V.

Ammettiamo ora che la tensione Vin passi da 2 a 2,1V, con un incremento di 0,1V.
La Ib sarà ora pari a: Ib = (Vin-Vbe)/R1 = (2,1-0,6)/100K = 0,015mA

La Ic sarà quindi: 0,015mA * 100 = 1,5mA
La tensione VR2 sarà ora data da: VR2 = Ic * R2= 10K * 1,5mA = 15V

La tensione Vout sarà Vout = 24 - 15 = 9V

Abbiamo quindi che con la variazione della tensione d'ingresso di solo 0,1V abbiamo avuto una variazione di uscita di 1V, con un'amplificazione di 10 volte.

Fino ad ora abbiamo trascurato la R3 ma se provassimo di inserirla cosa otterremmo? La R3 è percorsa da una corrente Ie data dalla somma di Ic e Ib e crea una caduta di tensione data da R3 * Ie.
Si può quindi dire che tanto più è alta la corrente Ic (Ib è trascurabile, visto che a causa dell'hfe è 100 volte più bassa di Ic) tanto più è alta la VR3.

Questa VR3 influenza la Ib dato che si ha: Ib= (Vin-Vbe-VR3)/R1

Se la Ib tende a calare anche la Ic scende, diminuendo la VR3 e facendo aumentare la Ib, che a sua volta incrementerà la Ic facendo nuovamente aumentare VR3 e calare Ib.
Praticamente la R3 stabilizza la corrente di base Ib evitando che diminuzioni di Vbe (date, ad esempio, dalla temperatura, che fa calare la Vbe di circa 2,1mV/°C) possano aumentare la corrente Ic creando scompensi al circuito.

R3 funge quindi da retroazione.
La cosa interessante di questa configurazione è quella di amplificare il segnale in modo invertente, nel senso che se la Vin aumenta la Vout diminusice (e viceversa).

Passiamo ora alla configurazione a collettore comune (figura più a destra).

Se riprendessimo la Vin dell'esempio precedente avremmo la seguente condizione:
Vout = Vin-Vbe = 2V-0,6V = 1,4V
La corrente IR4, che è poi la Ie è data da: Ie = Vout/R4 = 1,4 / 100 = 14mA

Vediamo ora cosa succede considerando che Vin aumenti a 2,1V.
Se riprendessimo la Vin dell'esempio precedente avremmo la seguente condizione:
Vout = Vin-Vbe = 2,1V-0,6V = 1,5V

La corrente IR4, che è poi la Ie è data da: Ie = Vout/R4 = 1,5 / 100 = 15mA

Abbiamo quindi una proporzionalità diretta fra tensione d'ingresso Vin e corrente di uscita Ie / tensione d'uscita Vout. Quando aumenta la prima aumenta anche la seconda, al contrario di ciò che succede col circuito a'emettitore comune.

A cosa serve un circuito del genere, considerando che la tensione di uscita è sempre leggermente inferiore a quella d'ingresso, quindi non più alta come succedeva nell'emettitore comune? (Vin-Vbe = Vin-0,6V)

Considerando che la corrente Ib è hfe volte inferiore alla Ie si ha che la sorgente Vin, per pilotare un carico che assorbe corrente di 14-15mA, deve erogare solo Ib = Ie / hfe = 14mA / 100 = 0,14mA, decisamente più bassa di quella richiesta dal carico.

Il circuito a collettore comune è quindi un amplificatore di corrente (buffer).

Non ho capito cosa intendi.

Il punto di lavoro comunque è dato dalla combinazione della (o delle) resistenze di base e da quelle di collettore ed emettitore. La cosa ottimale sarebbe che la tensione fra Vout e 0V fosse, in assenza di segnale da amplificare (quindi solo a transistor polarizzato, con le sue correnti Ic e Ib) pari a metà della tensione d'alimentazione +VDC.
Solo in questo modo infatti avresti la capacità dell'amplificatore di amplificare il segnale al massimo delle sue possibilità senza "tagliare" la cima di una delle 2 semionde del segnale. Per essere più chiari ammettiamo di avere +VDC = 24V e di dovere amplificare un segnale sinusoidale tale che sull'uscita Vout abbia un segnale di 22Vpp (valore fra picco positivo e quello negativo).
Se il transistor è polarizzato in modo da avere, senza sinusoide, una Vout di 12V, sarà in grado di amplificare (abbastanza) bene la sinusoide, dato che in corrispondenza del picco positivo della Vout avremo punto di lavoro+picco positivo della sinusoide=12+(22/2)=23V e nella semionda negativa avremo 12-(22/2)=1V. In entrambe le condizioni avremmo quindi che Vout è compreso fra 0 e 24V, che è la tensione di alimentazione del circuito.
Se invece la tensione Vout di riposo fosse 8V in caso del picco positivo avremmo 8+(22/2)=19V, che l'amplificatore sarebbe in grado di gestire perché inferiore ai 24V di +VDC, mentre nella semionda negativa avremmo 8-(22/2)=-3V, valore non gestibile perché inferiore ai 0V dell'alimentazione negativa. In questo caso la semionda negativa verrebbe troncata a 0V e si avrebbe una forte distorsione.

Niccolò, mi stai facendo una bella domanda!!
Tieni presente che sono circa 30 anni che non polarizzo un transistor in un circuito del genere, perchè ormai lavoro quasi esclusivamente con l'elettronica digitale, con i microcontrollori e, anche quando devo gestire segnali analogici, uso gli amplificatori operazionali, che mi danno della prestazioni migliori e dei risultati molto più certi e costanti dei transistor.

Ho guardato la pagina di Wikipedia sulla polarizzazione del BJT e mi sembra fatta bene, o, almeno, fatta meglio di quello che potrei fare io usando le reminescenze di più di 30 anni fa.
Ti consiglio di guardare quella e, se dovessi avere dei dubbi, di tornare a chiedere.

Mi dispiace di non poterti essere più utile in questo momento, ma la polarizzazione dei BJT in zona lineare non mi è mai piaciuta più di tanto e in più è veramente da decenni che non la calcolo più.
Prima ho provato di verificare le correnti di collettore ed emettitore in base a quella di base e mi veniva un valore di hfe basso, per questo reputo che stessi sbagliando qualcosa e visto che sono 30 anni che non uso quelle formule temevo di darti indicazioni sbagliate.
Se ricordo bene la teoria direbbe che alla coppia di resistenze R1 ed R2 e alla tensione di alimentazione di 12V bisognerebbe sostituire un generatore equivalente avente come tensione quella di uscita dal partitore e come resistenza serie il parallelo delle 2 resistenze.

Praticamente la tensione del generatore equivalente (che sarebbe poi la Vin dello schema che ho postato) sarebbe: 12*R2/(R1+R2) = 1,28V
La resistenza equivalente (che sarebbe R1 del circuito da me postato) sarebbe Req=R1*R2/(R1+R2)=10,7K

Nel circuito che hai psotato c'è però qualcosa che non mi convince, dato che la Ic sarebbe data da Ic=VR2/R2=5,5/10000=0,55mA e la Ie sarebbe invece Ie=VR4/R4=0,545/1000=0,545mA

Come fa la Ic ad essere maggiore della Ie, considerando che Ie=Ic+Ib (che sono entrambe positive)?

Se poi andassimo a calcolare la Ib, considerando il generatore equivalente avremmo:

Ib=(Veq-Vbe-VR4)/Req=(1,28-0,6-0,545)/10,7K=0,0126mA

L'hfe risultante sarebbe dato da Ic/Ib, quindi 0,55/0,0126=43 che mi sembra bassino per un transistor di bassa potenza che lavora con correnti di colelttore inferiore a 1mA.


I tuoi 2,4V e i miei 1,28V ce li giochiamo al lotto. Se vinciamo facciamo a metà.

Penso comunque che siamo in 2 ad avere fatto bene a passare al digitale!!!

Purtroppo no.

Bisogna applicare il teorema di Thevenin e calcolare il generatore equivalente, che è poi quello che ho indicato.