Appunti Componenti elettronici

R CEsercizi

Obiettivo: determinare i punti di lavoro dei BJT.

Ipotizzare zona di funzionamento

Sostituire al BJT il loro modello equivalente

Risolvere determinando il punto di lavoro

Verifica delle ipotesi fatte

In generale: V_BE,on = 0.7V , V_CE,sat = 0.2V , β = 100

NPN: V_BE,on = 0.7V , V_CE,sat = 0.2V , β = 50

PNP: V_EB,on = 0.7V , V_EC,sat = 0.2V , β = 50

Tip: Ipotizzare il BJT sempre in zona diretta, salvo situazioni che suggeriscano un altro funzionamento

3-MOS

3.1 Transistor ad effetto di campo

I transistor MOSFET sono una delle due categorie di transistor a effetto di campo.

A loro volta essi possono essere ad arricchimento o a svuotamento e per entrambi esiste la versione NMOS e PMOS.

Appunti componenti 123

3.2 Condensatore MOS

3.2.1 Come è fatto

Un condensatore MOS è formato da uno strato di silicio drogato P, detto body, uno strato di ossido di silicio e un elettrodo, detto gate.

3.2.2 Zone di funzionamento Se si applica al gate una tensione negativa o molto più piccola di una certa tensione di soglia

La corrente nel caso di zona lineare è pari a ID = K(VDS - VGS - VTN)DS1. La resistenza a cui è paragonato il transistor ha valore: RDS = (VDS - VGS - VTN)/ID.

Man mano che aumenta, poiché il source è a massa e al drain è applicata la tensione VDS, si avrà che il canale presenterà tensioni diverse ai due estremi, in particolare quella del source sarà sempre a massa, mentre al drain la tensione aumenterà. Questo farà sì che il canale si assottigli verso il drain fino a chiudersi del tutto quando si raggiunge la condizione di pinch-off, in cui VDS = VGS - VTN.

In questa condizione, si raggiunge la zona di saturazione e la corrente tra drain e source ha raggiunto il suo valore massimo, pari a ID = 2K(VGS - VTN)^2. Il transistor si comporta come un generatore di corrente, controllato in tensione.

Aumentando ulteriormente, il canale si stringe e la corrente ha una dipendenza residua da VDS: questo prende il

VDS DSnome di modulazione della lunghezza di canale.

Caratteristica:

Appunti componenti 153.3.2 MOS ad arricchimento - PMOS

Qualora si consideri un transistor di tipo PMOS, le formule resterebbero le stesse, ma si dovrebbero operare leseguenti sostituzioni:

→V VGS SG→V VDS S D→I IDS S D→ −V < 0, conV VTN TP TP

Le formule diventano quindi:

= 0, ≤ −V

Interdizione: I VS D SG TP= (V + )V > −V ≤ +

Lineare: , se eI K V V V V VS D p SG TP S D SG TP S D SG TPK 2= (V + ) , > −V > +

pSaturazione: se eI V V V V VS D SG TP SG TP S D SG TP23.3.3 MOS a svuotamento

Appunti componenti 16

Per quanto riguarda la caratteristica dei diodi a svuotamento, il canale tra Drain e Source, che sono bacini drogati P, ègià presente e non dipende dalla formazione dello strato di inversione. = 0 = 0

Questo fa sì che il MOS a svuotamento sia normalmente chiuso in quanto per (per NMOS) o perV VGS SG(per PMOS) conduce, applicando (o ).V VDS S D<

L'interdizione si ha con V_GS ≤ V_TN e V_DS ≥ 0

Altra differenza: per NMOS V_TN < 0, mentre per PMOS V_TP > 0

Caratteristica:

3.4 Applicazioni

3.4.1 Amplificatore

Simili agli amplificatori BJT, si usano MOS in saturazione.

3.4.2 Interruttore

Si utilizzano MOS in una zona compresa tra l'interdizione e la zona lineare.

Funzionano meglio rispetto ai BJT.

Appunti componenti 17

3.4.3 Resistori variabili

Tipicamente si utilizzano i JFET per questo scopo, ma possono essere realizzati anche con MOS in zona lineare.

3.4.4 Circuiti logici NMOS e CMOS

Inverter NMOS

Per realizzare un inverter NMOS è sufficiente collegare al terminale di gate una resistenza e una tensione variabile di ingresso. La tensione in uscita è valutata rispetto al drain, mentre il source è a massa.

Si osserva che:

V_GS = V_i

V_DS = V_DD

Se V_GS < V_TN allora il transistor è spento e V_DS = V_DD. Resta interdetto fintanto che V_GS > V_TN.

Il transistor NMOS è un dispositivo a tre terminali, con il terminale di drain (D), il terminale di source (S) e il terminale di gate (G). La tensione di alimentazione è indicata come V_DD. Quando la tensione di gate (V_GS) è inferiore alla tensione di soglia (V_TN), il transistor NMOS è spento. La tensione in uscita (V_DS) sarà quindi alta. Al contrario, quando la tensione di ingresso è alta, il transistor NMOS è acceso e la tensione in uscita sarà bassa. Pertanto, il transistor NMOS funziona come un inverter. È importante notare che c'è una situazione intermedia in cui entrambi i transistor sono accesi in zona di saturazione.

La caratteristica dei transistor MOS può essere determinata risolvendo il circuito e determinando il punto di lavoro. Per un transistor NMOS, il punto di lavoro è identificato dalla coppia di tensioni V_GS e V_DS. Per un transistor PMOS, il punto di lavoro è dato dalla coppia di tensioni V_GS e V_DS. La procedura di risoluzione del circuito è la seguente:

1. Si ipotizza il transistor in una zona di funzionamento, tipicamente si parte assumendo la zona di saturazione.
2. Si sostituisce il transistor MOS con il suo modello equivalente.
3. Si risolve il circuito determinando il punto di lavoro.
4. Si verifica l'ipotesi fatta: V_DS < V_GS.

1. Lineare: oppure VDS > VGS - VTN
2. Saturazione: oppure VDS ≈ 0
3. Interdizione: VDS > 4

Amplificatori operazionali

4.1 Amplificatore

4.4.1 Amplificatore ideale

Un amplificatore può essere rappresentato come segue:

Appunti componenti 19= *

In un amplificatore ideale, la tensione in uscita è data da VOUT = A * VIN, dove A è detto guadagno dell'amplificatore.

La sorgente di un amplificatore è rappresentabile con un circuito equivalente di Thevenin, ossia un generatore di tensione e una resistenza in serie.

L'amplificatore è poi tipicamente connesso ad un carico, rappresentato dalla resistenza RL, su cui cade la tensione V_L.

Nella situazione ideale si vorrebbe che V_IN, tensione in ingresso sull'amplificatore, fosse proprio uguale a V_S, quindi che V_IN = V_S, ossia che la tensione in ingresso amplificata arrivasse tutta sul carico.

VOUT = VIN * A * RL / (RL + RS)

4.4.2 Amplificatore reale

Negli amplificatori reali tuttavia,

E .V V V V S IN OU T L

Un amplificatore reale può essere rappresentato come un generatore di tensione controllato in tensione. Inoltre, esso presenta una resistenza in ingresso e una resistenza in uscita .R RIN OU T

Provando ad esprimere le tensioni in ingresso e in uscita si ottengono le seguenti equazioni:

*VR= , partitore di tensione

V IN SIN +RR IN S*R *RV aV= = , partitore di tensione

V OU T L IN LL +R +RR RL OU T

Si può osservare che, se l'amplificatore fosse ideale, si avrebbe: R= = 1 ⟺ → ∞→V V R