Quando si desidera progettare circuiti a transistor bipolari, è necessario sapere come polarizzarli. La polarizzazione consiste nell'applicare elettricità a un transistor in un modo specifico per far funzionare il transistor nel modo desiderato. Esistono principalmente cinque classi di amplificatori: Classe A, Classe B, Classe AB, Classe C e Classe D. In questo articolo ci concentreremo sulla polarizzazione del transistor in una configurazione di emettitore comune per il funzionamento dell'amplificatore di classe A di frequenza audio lineare, lineare che significa il segnale in uscita è uguale a quello in ingresso ma amplificato.
Le basi
Affinché un normale transistor al silicio funzioni in modalità attiva (utilizzato nella maggior parte dei circuiti dell'amplificatore) la sua base deve essere collegata a una tensione di almeno 0,7 V (per dispositivi al silicio) superiore all'emettitore. Dopo aver applicato questa tensione, il transistor si accende e la corrente del collettore inizia a fluire, con una caduta da 0,2 V a 0,5 V tra il collettore e l'emettitore. Nella modalità attiva, la corrente del collettore è approssimativamente uguale alla corrente di base moltiplicata per il guadagno di corrente (hfe, β) di un transistor.
Ib = Ic / hfe Ic = Ib * hfe
Questo processo è invertito nel transistor PNP, smette di condurre quando si applica una certa tensione alla sua base. Ulteriori informazioni su transistor NPN e transistor PNP qui.
Bias fisso
Il modo più semplice per polarizzare un BJT è presentato nella figura sottostante, R1 fornisce la polarizzazione di base e l'uscita viene presa tra R2 e il collettore attraverso un condensatore di blocco CC, mentre l'ingresso viene alimentato alla base tramite un condensatore di blocco CC. Questa configurazione dovrebbe essere usata solo in preamplificatori semplici e mai stadi di uscita di potenza, specialmente con un altoparlante invece di R2.
Per polarizzare il transistor dobbiamo conoscere la tensione di alimentazione (Ucc), la tensione base-emettitore (Ube, 0,7 V per il silicio, 0,3 per i transistor al germanio), la corrente di base richiesta (Ib) o la corrente di collettore (Ic) e la guadagno di corrente del transistor (hfe, β).
R1 = (Ucc - Ube) / Ib R1 = (Ucc - Ube) / (Ic / hfe)
Il valore di R2 per guadagno e distorsione ottimali può essere stimato dividendo la tensione di alimentazione per la corrente del collettore. Il guadagno dell'amplificatore con questo valore di R2 è alto, intorno al valore del guadagno di corrente del transistor (hfe, β). Dopo aver aggiunto un carico all'uscita, come un altoparlante o il successivo stadio di amplificazione, la tensione di uscita diminuirà a causa di R2 e il carico fungerà da partitore di tensione. Si raccomanda che l'impedenza di carico o l'impedenza di ingresso dello stadio successivo sia almeno 4 volte maggiore di R2. I condensatori di accoppiamento dovrebbero fornire meno di 1/8 dell'impedenza di carico o dell'impedenza di ingresso dello stadio successivo alla frequenza di funzionamento più bassa.
Separatore di tensione Bias / Self Bias
La figura seguente è la configurazione di polarizzazione più utilizzata, è stabile alla temperatura e fornisce un guadagno e una linearità molto buoni. Negli amplificatori RF R3 può essere sostituito con un'induttanza RF. Oltre a un singolo resistore di base (R1) e un resistore del collettore (R3), abbiamo un resistore di base aggiuntivo (R2) e un resistore di emettitore (R4). R1 e R2 formano un partitore di tensione e insieme alla caduta di tensione su R4 sono impostati sulla tensione di base (Ub) del circuito. I calcoli sono più complicati, poiché ci sono più componenti e variabili di cui tenere conto.
Per prima cosa iniziamo con il calcolo del rapporto del resistore del partitore di tensione di base, dettato dalla formula mostrata di seguito. Per iniziare i calcoli è necessario stimare i valori della corrente del collettore e delle resistenze R2 e R4. È possibile calcolare che il resistore R4 scende da 0,5 V a 2 V alla corrente di collettore desiderata e R2 è impostato per essere da 10 a 20 volte maggiore di R4. Per i preamplificatori R4 è solitamente nell'intervallo 1k-2k ohm.
L'R4 non disaccoppiato provoca un feedback negativo, diminuendo il guadagno mentre diminuisce la distorsione e migliora la linearità. Disaccoppiandolo con un condensatore aumenta il guadagno, quindi si consiglia di utilizzare un condensatore di grande valore con un piccolo resistore in serie.