Amplificatore a transistor

      

I circuiti elettronici sono divisi in due categorie: circuiti analogici e circuiti digitali.
Nei circuiti analogici il segnale di uscita deve poter variare in modo continuo, legato alle variazioni del segnale di ingresso; nei circuiti digitali non ha importanza il valore preciso del segnale purché sia compreso entro certe soglie, a seconda delle quali il segnale viene interpretato in due possibili modi diversi (livello alto e livello basso).
E' chiaro allora che il buon funzionamento del circuito nei confronti del segnale dipende dalla scelta di tale punto di polarizzazione e della sua stabilità. Il circuito più semplice che può assicurare una polarizzazione è il seguente:

Tale circuito può essere analizzato graficamente a partire dalle caratteristiche di ingresso e di uscita del transistor e di quelle dei due generatori

Il punto di funzionamento sulla caratteristica di uscita è determinato dall'intersezione tra la retta di carico statica descritta dall'eq. sulla maglia di uscita:

con la caratteristica dei transistor selezionata dal valore della corrente di base.

Supponendo di sovrapporre al punto di lavoro in continua la variazione dinamica in ingresso ΔI_B, provocata dalla presenza di un generatore di segnale v_i produrremo in uscita una variazione di corrente ΔI_C e di tensione ΔV_CE. In ragione delle caratteristiche del transistor la tensione dinamica di uscita risulterà amplificata (in ampiezza) rispetto alla forma d'onda della tensione di ingresso.

Dal punto di vista pratico il transistor ci permette di manipolare un segnale dinamico in ingresso (ad esempio una forma d'onda alternata sinusoidale) e di trasferirlo in uscita opportunamente amplificato (alla stessa frequenza).

Potremmo pensare di risolvere di risolvere i circuiti amplificatori con un metodo grafico, tracciando di volta in volta sulle caratteristiche, l'andamento delle grandezze in gioco. Questo procedimento risulterebbe sicuramente faticoso ed impreciso e non si presterebbe ad un uso sistematico delle varie configurazioni. E' necessario scegliere un metodo risolutivo analitico e di tipo generale, per questo motivo si deve determinare un modello elettrico in grado di rappresentare il funzionamento del transistor in regime dinamico.

Allo stesso modo il carico R_L verrà connesso all'uscita del transistor tramite il condensatore C_o. L'uso dei condensatori di accoppiamento è fondamentale; alle medie frequenza essi costituiscono un corto circuito per il segnale variabile, mentre sono permanentemente un circuito aperto per la continua, che non riesce ad attraversarli e che quindi condiziona solo il blocco amplificante assicurandone la polarizzazione.
Il segnale, invece, superando i condensatori, raggiunge il blocco amplificante, sovrapponendosi al punto di lavoro (in continua) del transistor, esso si presenta amplificato in uscita sulla resistenza di carico R_L.

Lo studio del funzionamento dinamico, prescinde, ovviamente dalla tensione continua, essa dal punto di vista dinamico viene assimilata alla massa. Applicando questo principio, otteniamo il circuito dinamico alle medie frequenze:

per l'analisi del circuito ottenuto, bisogna sostituire al transistor un suo circuito equivalente; uno dei modelli più usati (i cui parametri corrispondono al funzionamento fisico del componente) è il modello π-ibrido.

Il modello π-ibrido

      

viceversa è una resistenza differenziale esprimibile come :          
dalla fisica del transistor si ha:                 dove:
k=costante di Boltzmann 1,3805 10^-23 J/°K
T=temperatura in °K
q=carica dell'elettrone=1,6 10^-19C

in queste formule, I_B è la corrente di base continua di polarizzazione; in modo analogo:

risulta dunque:     

Riassumendo; per passare dal circuito effettivo al quello dinamico, valido alle medie frequenze, bisogna applicare le seguenti regole:
1) I condensatori di accoppiamento sono considerati dei corto circuiti
2) Le linea di alimentazione viene assimilata alla massa
3) Si sostituisce il transistor col suo medello equivalente

In base a queste regole, il circuito preso in considerazione diventa:

il parametro principale a cui si può essere interessati in genere, è il guadagno di tensione:

in questi casi la regola è separare il rapporto fra la tensione di ingresso e quella di uscita in due rapporti parziali, come:

considerando il circuito di ingresso, per la regola del partitore di tensione:

nel circuito in uscita il parallelo fra R_C ed R_L viene percorso da una corrente βi_b che provoca una caduta di tensione uguale e contraria alla v_o. Per cui:

come si vede il procedimento è più laborioso che difficile.

Modello a parametri h

      

Mentre il modello π-ibrido si presta ad uno studio dell'amplificatore anche alle alte frequenze, se l'analisi è limitata alle medie frequenze il modello più utilizzato è quello a parametri h. Normalmente l'amplificatore a transistor si può presentare attraverso tre configurazioni fondamentali:
1) configurazione a emettitore comune
2) configurazione a base comune
3) configurazione a collettore comune
Queste denominazioni derivano dal fatto che analizzando gli schemi circuitali nelle tre rispettive configurazioni, dal punto di vista dinamico, risultano collegati a massa l'emettitore, la base e il collettore.
per la configurazione a emettitore comune avremo le seguenti corrispondenze:

in questo modello h_fe e h_re sono numeri puri,
h_ie una resistenza (Ω )
h_oe una conduttanza (1/Ω=Siemens)
per le altre configurazioni il modello rimane identico, cambia solo il nome dei parametri dato che il secondo pedice diventa b nel caso del base comune e c nel caso del collettore comune. I valori sono i seguenti:

in generale i parametri h vengono forniti dal fabbricante.