Funzioni sviluppate con transistori

Nel campo della progettazione analogica assumono un ruolo importante una serie di semplici circuiti a transistore indicati rispettivamente come:

lezione
lezione
Funzioni sviluppate con transistori
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: I transistori
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%

Funzione d'inversione del segno logico

Funzione di ripetizione di un segnale su bassa impedenza

Funzione d'inversione di fase di un segnale di bassa frequenza


Il circuito invertitore di segno

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Un circuito invertitore di segno è un dispositivo a transistore in grado di trasformare, ad esempio, un comando logico (da livello   a livello  ) in un comando logico ( da livello   a livello   ) [1].

Questo dispositivo è caratterizzato dalla struttura circuitale di figura 1 nella quale sul collettore è inserito il carico costituito da  :


 
figura 1


Il comportamento del circuito è il seguente:

  • quando il livello all’ingresso (punti 1 e 2) è   Tr non conduce ed il livello in uscita (punti 3 e 4) è  
  • quando il livello all’ingresso (punti 1 e 2) è   Tr conduce ed il livello in uscita (punti 3 e 4) è  .
  • il livello detto zero ai punti 3 e 4 non è tale dato che dipende dalla   come andremo a calcolare.

Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco procediamo al dimensionamento dei componenti:

Il transistore

Il transistore Tr può essere scelto del tipo BFY56A che ha le seguenti caratteristiche:

  •  

Osservazione:   è nettamente superiore alla tensione di   che alimenta il circuito

  •   tipici per  

Osservazione: Essendo   tipico a   si potrà contare su di un livello “zero” d’uscita molto basso

  •   potenza dissipabile a temperatura ambiente di   °c.

Osservazione: Essendo   superiore al prodotto   il transistore lavora in condizioni termiche ottimali.

  •   guadagno di corrente minimo

Osservazione: Essendo   per   sarà   valore almeno da raddoppiare, per sicurezza, per portare il transistore in saturazione ( )

  •   tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della   si deve tenere conto in sede di dimensionamento di  .

I componenti circuitali

Il resistore  , che limita la corrente di base, deve essere dimensionato come segue:

Al generatore Gc, che fornisce una tensione di  , è richiesta una corrente di   ; pertanto sarà

  ( arrotondato a  )

Il resistore  , che in assenza del comando tiene la base a livello di tensione zero, deve essere dimensionato come segue:

Essendo  , accettando una riduzione di   di circa il   potrà essere

  (arrotondato a  )

Il resistore  , che limita la corrente di collettore a  , deve essere dimensionato come segue:

  (arrotondato a  )

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:

 

Misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 1 con livello di   applicato all’ingresso; i dati indicativi di tensione, misurabili con un voltmetro in c.c. a  , sono riportati in figura 2.

 
figura 2

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime. Si può pertanto scrivere: valori misurati   (valori calcolati)

Il circuito ripetitore

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Il circuito ripetitore a transistore è un dispositivo analogico in grado di trasferire su bassa impedenza un segnale generato su alta impedenza.

Lo schema del circuito è riportato in figura 3 e successivamente commentato.


 
figura 3


Questo circuito, a differenza di tutti i circuiti illustrati in precedenza, non ha il transistore Tr in saturazione ma in regime di linearità a seguito del dimensionamento dei componenti:

  • il partitore resistivo   , polarizza la base di Tr ad un livello di tensione continua che subordina la corrente di collettore di Tr
  • il resistore   , limita la corrente di emettitore di Tr

Questa configurazione porta ad alcune particolarità utili al nostro scopo: il resistore   conferisce una resistenza d’ingresso di Tr dell’ordine di   dove   è il guadagno di Tr in corrente alternata

  • la corrente in   conferisce una resistenza   all’emettitore pari a :

  (dove il valore   è un coefficiente d’approssimazione e   la corrente di emettitore espressa in   )

  • se   è molto maggiore di   la resistenza d’uscita   è data da:

 


L’ingresso del circuito è corredato dal condensatore   allo scopo di evitare che il generatore dei segnali, da applicare ai punti (1 e 2), possa alterare il livello della tensione continua dovuto al partitore  

L’uscita del circuito è corredata dal condensatore   allo scopo, sia di evitare che un eventuale corto circuito ai punti (3 e 4) possa distruggere Tr, sia di ottenere all’uscita un segnale a valor medio zero.

Il funzionamento del circuito è il seguente: ad ogni incremento della tensione del segnale applicato alla base si ha un corrispondente incremento di   e di conseguenza di   che provoca a sua volta un incremento di tensione ai capi di   ; il segnale d’ingresso viene “ripetuto” all’uscita su bassa impedenza.

Dimensionamento del ripetitore

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Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco procediamo al dimensionamento dei componenti nell’ipotesi che il segnale d’ingresso abbia una frequenza dell’ordine di  , la corrente nel transistore sia di   e che   [2]:

Il transistore

Il transistore Tr può essere scelto del tipo BFR17 che ha le seguenti caratteristiche:

  •  

Osservazione:   è nettamente superiore alla tensione di   che alimenta il circuito


  •  


  •   potenza dissipabile a temperatura ambiente di   °c

Osservazione: In condizioni statiche essendo   superiore al prodotto   il transistore lavora in condizioni ottimali.


  •   guadagno di corrente tipico per   alla frequenza di  

Osservazione: Con questo valore di   la resistenza d’ingresso di Tr sarà pari a  


  •   tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della   si deve tenere conto in sede di dimensionamento di  

I componenti circuitali

Il partitore   , che determina il punto di lavoro di Tr in zona lineare, deve essere dimensionato come segue:

Per avere la massima dinamica del segnale in uscita è necessario che la tensione continua su   sia circa la metà della tensione di alimentazione:

 

pertanto sulla base di Tr si dovrà avere una tensione pari a:

 

ottenibile con un partitore resistivo che soddisfi la relazione

 

posto   si ha

  (arrotondata in  )

Il resistore   , che limita la corrente di emettitore a riposo ad   , deve essere dimensionato come segue:

  ( arrotondata a  )

Una valutazione complessiva della resistenza d’ingresso del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di   è dato dal parallelo dei valori di  

 

circa  

Una valutazione della resistenza d’uscita del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di   è dato dal rapporto

 

Una valutazione dei valori di   deve essere fatta come segue:

per evitare che le reattanze di   , rispettivamente   , provochino tagli in ampiezza dei segnali, sia all’ingresso che all’uscita, è ragionevole assumere questi valori dell’ordine di   delle resistenze alle quali sono collegati quindi:

  da cui

 


  da cui

 

Una valutazione della tensione massima del segnale applicabile deve essere fatta come segue: Essendo l’emettitore di Tr polarizzato a   l’escursione del segnale attorno a questo valore non deve portare mai il transistore in saturazione; pertanto, essendo

 

l’escursione della tensione di emettitore verso il livello più elevato dovrà essere di

escursione =   arrotondato per prudenza a  

Di altrettanto potrà scendere la tensione d’emettitore in corrispondenza dei valori minimi; cioè da

tensione minima d’emettitore =  

Complessivamente un’escursione totale di   pari ad una tensione di circa  

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:

 


Le misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 3 con una tensione sinusoidale di ampiezza   applicata all’ingresso; i dati indicativi dei livelli dei segnali sono misurabili con un oscilloscopio disposto in c.c. così come riportato in figura 4:

 
figura 4

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime. Si può pertanto scrivere:

valori misurati   (valori calcolati)


Il circuito invertitore di fase

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Il circuito invertitore di fase è un dispositivo analogico in grado di invertire di 180° un segnale applicato al suo ingresso.

Lo schema del circuito è riportato in figura 5 e successivamente commentato.

 
figura 5


Questo circuito è simile a quello illustrato per il ripetitore salvo la presenza del resistore   sul collettore di Tr; le funzioni svolte dalle resistenze sono:

  • partitore resistivo   che polarizza la base di Tr ad un livello di tensione continua che

subordina la corrente di collettore di Tr

  • resistore   limita la corrente di emettitore di Tr
  • resistore   trasforma la corrente di collettore nella tensione d’uscita

i resistori   devono avere lo stesso valore se si vuole che la tensione d’uscita (punti 3 e 4) abbia la stessa ampiezza della tensione applicata all’ingresso (punti 1 e 2)

L’ingresso del circuito è corredato dal condensatore   allo scopo di evitare che il generatore dei segnali, da applicare ai punti (1 e 2), possa alterare il livello della tensione continua dovuto al partitore  

L’uscita del circuito è corredata dal condensatore   allo scopo di prelevare il segnale invertito a valor medio zero.

Il funzionamento del circuito

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Il funzionamento del circuito è il seguente: ad ogni incremento della tensione del segnale applicato alla base si ha un corrispondente incremento di   e di conseguenza di   che provoca a sua volta un decremento di tensione tra   e massa; viceversa, quando il segnale applicato alla base decrementa, si ha un corrispondente decremento di   e di conseguenza di   che provoca un incremento di tensione tra   e massa, cosi che il segnale d’ingresso viene reso sfasato di  ° all’uscita.

Dimensionamento del circuito

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Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco, procediamo al dimensionamento dei componenti nell’ipotesi che il segnale d’ingresso abbia una frequenza dell’ordine di   ed una ampiezza non superiore a  :

Il transistore

Il transistore Tr può essere del tipo BFR17, già impiegato in precedenza, ed ha le seguenti caratteristiche:

  •  


  •   potenza dissipabile a temperatura ambiente di   °c


  •   guadagno di corrente tipico per   alla frequenza di  


  •   conduttanza d’uscita su collettore


  •  


  •   tensione di funzionamento della base del transistore


I componenti circuitali

Il partitore  , che determina il punto di lavoro di Tr in zona lineare, deve essere dimensionato come segue:

Per avere la massima dinamica del segnale in uscita, senza distorsioni, è necessario che la tensione continua su   sia circa   [3] della tensione di alimentazione

 

pertanto sulla base di Tr si dovrà avere una tensione pari a

tensione sulla base =  

ottenibile con un partitore resistivo che soddisfi la relazione

 

posto   si ha

  (arrotondata in   )

Il resistore   che limita la corrente di emettitore a riposo ad   deve essere dimensionato come segue:

 

Il resistore   deve essere uguale ad  :

 


Una valutazione complessiva della resistenza d’ingresso del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di   è dato dal parallelo dei valori di  

 

 .

Una valutazione della resistenza d’uscita del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di   è dato dal parallelo della resistenza di collettore   e della resistenza di carico  ; il valore di   , per transistore con emettitore a massa, è dato da:

  dove   è la conduttanza d’uscita su collettore per emettitore a massa, quindi:

 

essendo  , si avrebbe:

     

Poiché però l’emettitore di Tr non è a massa, ma polarizzato con  , il valore di   è di gran lunga superiore a   per cui si può considerare il valore di   pari al valore della sola resistenza di carico   ; .

Una valutazione dei valori di   deve essere fatta ponendo come segue:

per evitare che le reattanze di  , rispettivamente   provochino tagli in ampiezza dei segnali, sia all’ingresso che all’uscita, è ragionevole assumere questi valori dell’ordine di   delle resistenze alle quali sono collegati quindi:

  da cui

 

  da cui

 


Una valutazione della tensione massima del segnale applicabile deve essere fatta come segue:

Essendo la tensione di riposo ai capi di   pari a  , la dinamica di escursione del segnale attorno a questo valore non può che essere altrettanto, dell’ordine di

variazione massima del segnale =  

arrotondata prudenzialmente in   [4]

Il guadagno di tensione del circuito, essendo espresso dal rapporto   è sensibilmente inferiore ad uno.

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:  

Le misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 5 con una tensione sinusoidale di ampiezza   applicata all’ingresso; i dati indicativi dei livelli dei segnali sono misurabili con un oscilloscopio disposto in c.c. così come riportato in figura 6:

 
figura 6

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime.

Si può pertanto scrivere:

valori misurati   (valori calcolati)

  1. Una trasformazione di questo tipo può essere richiesta per il comando di un commutatore analogico di segnali
  2. Il valore della corrente   e della   sono stabiliti, di volta in volta, in base alle potenze richieste all'uscita del ripetitore
  3. Dato che il valore di picco della tensione d'ingresso non potrà essere superiore a   questo rapporto garantisce che in regime dinamico il transistore non sfiori la saturazione (si veda figura 6).
  4. . Il valore calcolato garantisce che al circuito possa essere applicata, senza distorsione, un tensione di