Logiche RTL e TTL - Parte 1

Transistor bipolare a giunzione BJT

I transistor bipolari sono dispositivi attivi di una famiglia tecnologica che da questi prende il nome di tecnologia bipolare.

I transistor bipolari sono dispositivi intrinsecatamente verticali (in altre parole, la corrente controllata fluisce in direzione perpendicolare alla superficie del wafer, al contrario dei MOS che sono dispositivi in cui la corrente fluisce nel piano parallelamente alla superficie del wafer); questo crea problemi in fase di realizzazione, sia per l'area occupata.

BJT - Configurazione a emettitore comune

Il funzionamento del BJT si basa sulla polarizzazione di due giunzioni p/n.

Esistono perciò 2 diodi intrinseci; il diodo B-E e il diodo B-C.

Note: il diodo p/n è polarizzato direttamente se |p|i|n| in tal caso conduce corrente mentre è polarizzato inversamente se |n|i|p| in tal caso non conduce corrente. Nel primo caso la tensione dai anodo superiore ad una certa tensione di soglia V_t.

In particolare, esiste un flusso di corrente positiva generato (gli elettroni si spostano dall'emettitore alla base e dalla base al collettore) cioè la corrente si muove verso la parte del collettore e arriva all'emettitore; quando il diodo intrinseco B-E è polarizzato direttamente quindi V_BE > 0, mentre il diodo intrinseco B-C è polarizzato inversamente cioè V_BC < 0. In realtà, in una configurazione ad emettitore comune, la tensione in anello non fra V_BE ma la V_EE nel punto cioè V_BE = V_BE + V_EC = V_BE - V_CE < 0 > 0 V_BE<V_CE in questo studio esiste un sicuro flusso positiva di corrente.

Regione attiva

Nel BJT il flusso di corrente si crea ma quando V_BE > 0 ma V_BE > V_BE,sat. La tensione V_BE supera una particolare soglia, detta barriera di potenziale del diodo B-E, V_BE > V_BE,sat ≈ 0.8V.

Alla tensione V_BC non dev’essere minore di 0 ma minore di una soglia, pertanto V_BE < V_BE,sat ⇒ V_BE < V_BC,sat ⇒ V_EB > V_BE,sat e V_E > V_BE – V_BE,sat.

Quindi il BJT ha un contesto positivo (da collettore a emettitore) quando V_BE > 0.8V e V_BE > 0.2V.

Nel transistor le correnti possibili sono I_B, I_C, I_E ed in particolare nel funzionamento descritto (regione attiva) si ha I_E > 0, I_B > 0, I_C > 0.

In particolare I_E = I_S(e^V_OE/V_T - 1), I_C = α_FI_E, I_B = I_C/β_F, con α ≈ 1, β >> 1.

Vale la 1° legge di Kirchhoff I_C+I_C+I_E=0

I_E = I_S(e^V_AE/V_T - 1)*

I_C = α I_E

I_F = -I_C/β

Regione di Saturazione

Vecci > Viessat

Nel caso in cui gli atomi diciamo sono polarizzati direttamente dove gli elettroni (portatori maggioritari di emettitore e collettore) si spostino dalle zone di tipo N e quelle di tipo P allora si ha una situazione in cui due flussi di corrente hanno senso opposto e tendono ad annullarsi.

La corrente di collettore I_C diminuisce fino ad annullarsi ma meno che la tensione V_CE diminuisce di valore fino ad annullarsi. Quando V_CC=0 allora V_CE ≠ V_CE e la corrente I_C = nulla (gli elettroni si inibiscono in lacune).

In questa regione I_C < β_F I_B

Quando la corrente di base I_B è massima, la rete di carico intacca la caratteristica di uscita nella regione di saturazione. Questo avviene se si soddisfa la relazione I_B < β_f I_C,sat.

Con la sostituzione in questa condizione si soddisfetta se V_CE < β_f V_CC ⇒ R_B < R_C β_f.

Per soddisfare questa relazione si può prendere R_B = 10 kΩ - R_C = 1 kΩ.

Analizziamo la caratteristica di trasferimento.

Per tensioni di ingresso minimi V_BE,sat si è detto che l’uscita V_o corrisponde alle tensioni di alimentazione V_cc. Pertanto V_o = V_cc.

La corrente I_B è nulla, la corrente I_C è nulla.

Per ingressi V₁ > V_BE,sat il BST entra in zona attiva di funzionamento. La corrente di base può essere descritta da I_B = (V₁ - V_BE) ≃ V₁ - 0,7 V.

La corrente di collettore è descritta dalla relazione attraverso la rete di carico I_C = (V_cc - V_o)/R_C.

Infatti in zona attiva vale la relazione I_C = β_f I_B e quindi il legame tra la tensioni di ingresso e di uscita risulta I_C = β_f I_B ⇒ (V_cc - V_o)/R_C = β_f V₁ - 0,7 V/R_B.

In altre parole esiste un legame lineare tra V_o e V₁ e tale esiste la pendenza dV_o/dV₁ = -β_f R_C/R_B che in modulo è maggiore di 1 (poiché R_C/R_B < β_f).

Questo risultato che era importante colloquio che la tensione V₁ coincide con la tensione di soglia V_BE,sat.

Quando l'ingresso è alto, ossia V_X = V_BE = V_o = V_cc, allora la corrente di base I_B raggiunge il suo valore massimo I_B ≃ I_csat V_cc - V_BE,sat.

La rete di carico definisce dalla variazione R_C intacca la caratteristica di trasferimento nella regione di saturazione, e quindi si impone I_C < β_f I_B,

e quindi: V_CE < V_csat => 0.2 V. I_C = V_cc/R_C.

Si può ottenere V_CE = V₁ ≃ 0.2 V, con parametri fissati si può definire V₁, proprio V_cc, si definisce V_CC,sat e quindi V_C,sat = 0.2 V.

dalle due tensioni che possono cadere sulle due giunzioni base/emettitore di Q_d e base/collettore di Q_i e la polarizzazione diretta si usano quindi una corrente I₂ circolante nel terminale di base di Q_i che determina una caduta su R_B la giunzione base/rnsterlitore di Q_i sarà quindi completamente

quando l'emettitore si tiene alla tensione V_cc e Q_i viene a lavorare in regime attivo inverso, tale in quanto la tensione la tensione sulla giunzione base/collettore di Q_i sarà pari a ΔV e, assumendo Q_d in saturazione, il valore della

tensione di base V_Bi di Q_i vale 1.5V la corrente di base I_bi di Q_i sarà quindi data da:

I_i = (V_cc - V_Bi) / R_B ≅ V_cc ⋅ 1.5V / R_B

La corrente di base di Q_d ricordando che Q_i opera in regime inverso sarà quindi

I_Bd = (1 + β_R) I₁ ≅ I₁

L'approssimazione è giustificata in quanto nelle porte TTL si fa in modo che il transistor Q_i abbia un β_R << 1 scegliendo opportunamente le aree di emettitore

e di base e la dopogggia di base.

I_FR = I₁

V_Z - V_BEsat ≅ 0.9V

V_T = 0.9V / R_E

del passaggio del segnale d'ingresso V_p dall'alto al quello basso in cui si assume il valore V_o1 = 0.2V (pari alla V_CE nello stato precedente) la giunzione base/em.^tr

di Q_i viene ad essere polarizzato direttamente e la tensione sulla base sarà:

V_Bi(Q_i) = V_O1 + V_BE(Q_i) = (0.2 + 0.7) V = 0.9V mentre la giunzione base/collettore è

polarizzata sotto V_i, in quanto sulla base di Q_d vi è ancora la tensione V_BE

V_BEsat ≅ 0.8V. In questo transistor Qi opera quindi in modo attivo diretto con una corrente di base I_bi pari a 2 I₃ ed indica la nuova situazione con ingresso basso dato da:

I_x = V_cc - V_BE - V₀ = V_cc - 0.9V / R_E = R_E