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Note per Studenti Esercizio 15 · quesiti rapidi su regioni di funzionamento, resistenze di uscita e diodo lineare a tratti (temi d'esame 2022-2026)

Esercizio 15quesiti rapidi su regioni di funzionamento, resistenze di uscita e diodo lineare a tratti (temi d'esame 2022-2026)

Esame
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Testo (quesiti "quick" da 2 punti dei compiti dal 12 luglio 2022 al 13 luglio 2026, con le date). Sono i quesiti che, secondo gli studenti, richiedono più attenzione tra i "quick": per i transistor si deve verificare l'ipotesi di zona.

Teoria usata: Transistor ad effetto di campo - JFET e MOSFETNel transistor a effetto di campo la tensione di gate controlla la corrente di drain senza assorbire corrente (I_G = 0). Il MOSFET ha quattro versioni: canale n o p, enhancement (V_t > 0 per n) o depletion (V_t < 0 per n). In saturazione I_D = k(V_GS − V_t)² = I_DSS(V_GS/V_t − 1)²(1 + λV_DS), con g_m = 2|I_D|/|V_GS − V_t| e r_o ≈ 1/(λ|I_D|); in zona ohmica I_D = k[2(V_GS−V_t)V_DS − V_DS²]. Zone (n-MOS): interdizione V_GS < V_t; ohmica 0 < V_DS < V_GS − V_t; saturazione V_DS > V_GS − V_t (per il canale p, tutte le disuguaglianze si invertono). Il JFET segue le stesse equazioni del depletion con V_t = V_p (tensione di pinch-off).Transistor ad effetto di campo - JFET e MOSFET →, Transistor bipolare - struttura, regioni di funzionamento e modello del trasportoIl BJT è un dispositivo a tre morsetti con due giunzioni vicinissime (emettitore, base sottile, collettore). In zona attiva diretta (giunzione base-emettitore diretta, base-collettore inversa) la corrente di collettore è I_C = I_S e^{V_BE/V_T}, indipendente da V_CE, e la corrente di base è piccola: I_C = β_F I_B, I_E = −(1+β_F)I_B (correnti entranti). Le quattro zone (attiva diretta, saturazione, interdizione, attiva inversa) sono determinate dalle polarizzazioni delle due giunzioni; nell'uso come amplificatore si lavora in zona attiva diretta con V_BE ≈ 0,6–0,7 V e V_CE > V_CE,sat. L'effetto Early dà I_C ∝ (1 + V_CE/V_A) e una resistenza r_o = (V_A + V_CE)/I_C.Transistor bipolare - struttura, regioni di funzionamento e modello del trasporto →, Polarizzazione dei MOSFETIl gate non assorbe corrente, quindi V_G = V_DD R_G2/(R_G1+R_G2) e V_G = V_GS + R_S I_D. Con I_D = I_DSS(V_GS/V_t − 1)² si ottiene un'equazione di secondo grado in V_GS: si sceglie la radice in zona di conduzione (V_GS > V_t per n-MOS, V_GS < V_t per p-MOS), si calcola I_D e V_DS = V_DD − (R_D+R_S)I_D e si verifica la saturazione (n-MOS: V_DS > V_GS − V_t). Con R_S = 0 la polarizzazione è immediata (V_GS = V_G). Se la saturazione è falsa si risolve in zona ohmica con I_D = k[2(V_GS−V_t)V_DS − V_DS²]. Il procedimento vale per enhancement, depletion e JFET.Polarizzazione dei MOSFET →, Raddrizzatori e circuiti a diodi con caricoCon un diodo ideale in serie a un carico R e un generatore v_g = V_p sin ωt si ha il raddrizzatore a semionda: media V_p/π, valore efficace V_p/2, potenza V_p²/(4R); il doppio raddrizzatore (ponte) ha media 2V_p/π, efficace V_p/√2, potenza V_p²/(2R). Con V_γ i picchi si abbassano di V_γ. Un condensatore in parallelo al carico trasforma il circuito in un rivelatore di picco: ripple ≈ V_p/(fRC) (semionda). Se in serie c'è anche un generatore continuo E si valuta quando il diodo conduce (può essere sempre ON o sempre OFF). Con l'opamp il diodo nell'anello di retroazione elimina la caduta V_γ (raddrizzatore di precisione).Raddrizzatori e circuiti a diodi con carico →.


1. Regione di funzionamento di un MOSFET depletion con gate e source collegati (12 luglio 2022, 11 luglio 2023, 10 luglio 2024, 10 luglio 2025, 27 agosto 2026)

n-MOS depletion con VGS=0V_{GS}=0 (gate collegato al source), VCC=12 VV_{CC}=12\ \mathrm V, RD=4 kΩR_D=4\ \mathrm{k\Omega}, IDSS=2,5 mAI_{DSS}=2{,}5\ \mathrm{mA}, Vt=−3,5 VV_t=-3{,}5\ \mathrm V. Regione di funzionamento. Ipotesi: saturazione. ID=IDSS=2,5 mAI_D=I_{DSS}=2{,}5\ \mathrm{mA}, VDS=VCC−RDID=12−4⋅2,5=2 VV_{DS}=V_{CC}-R_DI_D=12-4\cdot2{,}5=2\ \mathrm V. Condizione di saturazione: VDS>VGS−Vt=3,5 VV_{DS}>V_{GS}-V_t=3{,}5\ \mathrm V: falsa (2<3,52<3{,}5). Il MOSFET è in zona ohmica. (Risolvendo in zona ohmica con k=IDSS/Vt2=0,204 mA/V2k=I_{DSS}/V_t^2=0{,}204\ \mathrm{mA/V^2}: VDS=2,63 VV_{DS}=2{,}63\ \mathrm V, ID=2,34 mAI_D=2{,}34\ \mathrm{mA}.) p-MOS corrispondente (11 luglio 2023, 10 luglio 2025): IDSS=−2,5 mAI_{DSS}=-2{,}5\ \mathrm{mA}, Vt=+3,5 VV_t=+3{,}5\ \mathrm V, VCC=−12 VV_{CC}=-12\ \mathrm V: tutto cambia segno e si arriva alla stessa conclusione (VDS=−2 VV_{DS}=-2\ \mathrm V contro VGS−Vt=−3,5 VV_{GS}-V_t=-3{,}5\ \mathrm V; VDS>VGS−VtV_{DS}>V_{GS}-V_t: la condizione di saturazione del p-MOS è VDS<VGS−VtV_{DS}<V_{GS}-V_t, che non vale): zona ohmica.

2. MOSFET depletion con due generatori di corrente (26 giugno 2026)

p-MOS depletion con IDSS=−2 mAI_{DSS}=-2\ \mathrm{mA}, Vt=1 VV_t=1\ \mathrm V; una resistenza R=1 kΩR=1\ \mathrm{k\Omega} collega il gate al source (o al nodo in cui il source si collega), un generatore I1=0,2 mAI_1=0{,}2\ \mathrm{mA} inietta corrente nel nodo del gate, un generatore I2=−0,5 mAI_2=-0{,}5\ \mathrm{mA} (orientato verso il basso, quindi in realtà 0,5 mA0{,}5\ \mathrm{mA} in senso opposto) è collegato al nodo del source. Zona operativa. Il gate non assorbe corrente: tutta I1I_1 attraversa RR e VG−VS=R⋅I1=0,2 VV_G-V_S=R\cdot I_1=0{,}2\ \mathrm V, quindi VGS=+0,2 VV_{GS}=+0{,}2\ \mathrm V (indipendente dal MOSFET). La corrente che il MOSFET deve condurre è la somma di quella di RR (0,2 mA0{,}2\ \mathrm{mA}) e di I2I_2 (0,5 mA0{,}5\ \mathrm{mA}): ∣ID∣=0,7 mA|I_D|=0{,}7\ \mathrm{mA} (da source a drain, ID=−0,7 mAI_D=-0{,}7\ \mathrm{mA} nella convenzione di corrente entrante nel drain). Ipotesi: saturazione. La corrente di saturazione a VGS=0,2 VV_{GS}=0{,}2\ \mathrm V sarebbe ID=IDSS(VGS/Vt−1)2=−2 (0,2−1)2=−1,28 mAI_D=I_{DSS}(V_{GS}/V_t-1)^2=-2\,(0{,}2-1)^2=-1{,}28\ \mathrm{mA}: diversa (in modulo maggiore) dai 0,7 mA0{,}7\ \mathrm{mA} imposti dal circuito. Un MOSFET in saturazione eroga la sua corrente di saturazione: se il circuito ne richiede di meno, deve essere in zona ohmica (con ∣VDS∣|V_{DS}| abbastanza piccola da ridurre la corrente). Verifica: in ohmica ID=k[2(VGS−Vt)VDS−VDS2]I_D=k[2(V_{GS}-V_t)V_{DS}-V_{DS}^2] con k=IDSS/Vt2=−2 mA/V2k=I_{DSS}/V_t^2=-2\ \mathrm{mA/V^2} e VDS=−xV_{DS}=-x (x>0x>0), VGS−Vt=−0,8 VV_{GS}-V_t=-0{,}8\ \mathrm V: ID=−2 [2⋅(−0,8)(−x)−x2]=−3,2x+2x2I_D=-2\,[2\cdot(-0{,}8)(-x)-x^2]=-3{,}2x+2x^2; imponendo ID=−0,7 mAI_D=-0{,}7\ \mathrm{mA} si ottiene 2x2−3,2x+0,7=02x^2-3{,}2x+0{,}7=0, con radici x=0,261 Vx=0{,}261\ \mathrm V e 1,339 V1{,}339\ \mathrm V; vale quella con ∣VDS∣<∣VGS−Vt∣=0,8 V|V_{DS}|<|V_{GS}-V_t|=0{,}8\ \mathrm V: VDS=−0,26 VV_{DS}=-0{,}26\ \mathrm V (la seconda supera il limite della zona ohmica). Quindi il p-MOS è in zona ohmica con VDS=−0,26 VV_{DS}=-0{,}26\ \mathrm V.

3. Regione di un pnp con generatore di corrente di base (29 agosto 2023)

pnp con emettitore a massa, collettore a VCC=−12 VV_{CC}=-12\ \mathrm V tramite RC=3 kΩR_C=3\ \mathrm{k\Omega}, IB=−25 μAI_B=-25\ \mu\mathrm A, VCE,sat=0V_{CE,sat}=0, βF=200\beta_F=200, βR=10\beta_R=10. Con βFIB=−5 mA\beta_FI_B=-5\ \mathrm{mA} la caduta su RCR_C sarebbe 15 V>12 V15\ \mathrm V>12\ \mathrm V (collettore a +3 V+3\ \mathrm V, sopra l'emettitore: impossibile per il pnp). Saturazione: VCE=0V_{CE}=0, IC=VCC/RC=−4 mAI_C=V_{CC}/R_C=-4\ \mathrm{mA}, IC/IB=160<βF=200I_C/I_B=160<\beta_F=200 ✓: saturazione (Transistor bipolare - struttura, regioni di funzionamento e modello del trasportoIl BJT è un dispositivo a tre morsetti con due giunzioni vicinissime (emettitore, base sottile, collettore). In zona attiva diretta (giunzione base-emettitore diretta, base-collettore inversa) la corrente di collettore è I_C = I_S e^{V_BE/V_T}, indipendente da V_CE, e la corrente di base è piccola: I_C = β_F I_B, I_E = −(1+β_F)I_B (correnti entranti). Le quattro zone (attiva diretta, saturazione, interdizione, attiva inversa) sono determinate dalle polarizzazioni delle due giunzioni; nell'uso come amplificatore si lavora in zona attiva diretta con V_BE ≈ 0,6–0,7 V e V_CE > V_CE,sat. L'effetto Early dà I_C ∝ (1 + V_CE/V_A) e una resistenza r_o = (V_A + V_CE)/I_C.Transistor bipolare - struttura, regioni di funzionamento e modello del trasporto →).

4. Valore di RCR_C per VCB=0V_{CB}=0 (22 agosto 2024, 28 agosto 2025)

pnp con base a massa (tramite i collegamenti), emettitore a VEE=5,7 VV_{EE}=5{,}7\ \mathrm V tramite RE=1 kΩR_E=1\ \mathrm{k\Omega}, collettore a VCC=−12 VV_{CC}=-12\ \mathrm V tramite RCR_C; VBE=−0,7 VV_{BE}=-0{,}7\ \mathrm V, αF=0,99\alpha_F=0{,}99. RCR_C per VCB=0V_{CB}=0 (limite della saturazione). VE=VB−VBE=0,7 VV_E=V_B-V_{BE}=0{,}7\ \mathrm V; IE=VEE−VERE=5,7−0,71=5 mAI_E=\dfrac{V_{EE}-V_E}{R_E}=\dfrac{5{,}7-0{,}7}{1}=5\ \mathrm{mA}; ∣IC∣=αFIE=4,95 mA|I_C|=\alpha_FI_E=4{,}95\ \mathrm{mA}. Con VCB=0V_{CB}=0, VC=VB=0V_C=V_B=0: la corrente di collettore passa dal collettore (a 0 V0\ \mathrm V) verso VCC=−12 VV_{CC}=-12\ \mathrm V: RC=0−VCC∣IC∣=12 V4,95 mA=2,42 kΩ.R_C=\frac{0-V_{CC}}{|I_C|}=\frac{12\ \mathrm V}{4{,}95\ \mathrm{mA}}=\mathbf{2{,}42\ k\Omega}. Il collettore è a VC=VCC+RC∣IC∣=−12+RC⋅4,95 mAV_C=V_{CC}+R_C|I_C|=-12+R_C\cdot4{,}95\ \mathrm{mA}. Per un pnp in zona attiva la giunzione base-collettore deve essere inversa, cioè VCB<0V_{CB}<0 (VC<0V_C<0): vale per RC<2,42 kΩR_C<2{,}42\ \mathrm{k\Omega}. Per RC>2,42 kΩR_C>2{,}42\ \mathrm{k\Omega} la caduta su RCR_C porta il collettore sopra la base (VCB>0V_{CB}>0, giunzione base-collettore diretta): saturazione. Il valore RC=2,42 kΩR_C=2{,}42\ \mathrm{k\Omega} è quindi il limite tra zona attiva e saturazione.

5. Resistenza di uscita di un MOSFET a diodo con λ≠0\lambda\neq0 (26 giugno 2024, 30 giugno 2025)

n-MOS con Vt=1 VV_t=1\ \mathrm V, IDSS=2 mAI_{DSS}=2\ \mathrm{mA}, λ=0,02 V−1\lambda=0{,}02\ \mathrm V^{-1}, gate collegato al drain tramite R=100 kΩR=100\ \mathrm{k\Omega}, polarizzato da un generatore di corrente IDSSI_{DSS}. Il gate non assorbe corrente: VGS=VDSV_{GS}=V_{DS}. ID=2 mAI_D=2\ \mathrm{mA}; dalla caratteristica VGS=1,98 VV_{GS}=1{,}98\ \mathrm V (con λ=0\lambda=0: 2 V2\ \mathrm V). Piccolo segnale: gm=2IDVGS−Vt=4,08 mSg_m=\dfrac{2I_D}{V_{GS}-V_t}=4{,}08\ \mathrm{mS}, go=λID1+λVDS=0,038 mSg_o=\dfrac{\lambda I_D}{1+\lambda V_{DS}}=0{,}038\ \mathrm{mS} e rout=1gm+go=243 Ω(con λ=0 nella polarizzazione: 248 Ω).r_{out}=\frac1{g_m+g_o}=\mathbf{243\ \Omega}\qquad(\text{con }\lambda=0\text{ nella polarizzazione: }248\ \Omega). Nella resistenza RR tra gate e drain non scorre corrente, quindi anche a piccolo segnale vgs=vdsv_{gs}=v_{ds} e RR non entra nel risultato.

Nota. Una soluzione non ufficiale di questo quesito riporta 170,94 Ω170{,}94\ \Omega, che richiederebbe gm+go≈5,85 mSg_m+g_o\approx5{,}85\ \mathrm{mS}: con i dati del testo non si ottiene. Il valore qui sopra è ricontrollato due volte; se all'esame avete il testo originale, verificate i dati.

Dettaglio in Transistor ad effetto di campo - JFET e MOSFETNel transistor a effetto di campo la tensione di gate controlla la corrente di drain senza assorbire corrente (I_G = 0). Il MOSFET ha quattro versioni: canale n o p, enhancement (V_t > 0 per n) o depletion (V_t < 0 per n). In saturazione I_D = k(V_GS − V_t)² = I_DSS(V_GS/V_t − 1)²(1 + λV_DS), con g_m = 2|I_D|/|V_GS − V_t| e r_o ≈ 1/(λ|I_D|); in zona ohmica I_D = k[2(V_GS−V_t)V_DS − V_DS²]. Zone (n-MOS): interdizione V_GS < V_t; ohmica 0 < V_DS < V_GS − V_t; saturazione V_DS > V_GS − V_t (per il canale p, tutte le disuguaglianze si invertono). Il JFET segue le stesse equazioni del depletion con V_t = V_p (tensione di pinch-off).Transistor ad effetto di campo - JFET e MOSFET →.

6. Transcaratteristica di un diodo lineare a tratti (29 agosto 2023, 30 gennaio 2025)

Generatore E∈[−6; 6] VE\in[-6;\,6]\ \mathrm V con il morsetto positivo verso il catodo del diodo (anodo sul nodo di uscita), R=40 ΩR=40\ \Omega ai capi di VoutV_{out}, diodo con Vγ=1 VV_\gamma=1\ \mathrm V e rD=10 Ωr_D=10\ \Omega. Il diodo è ON solo per E<−VγE<-V_\gamma, con I=−E+VγR+rDI=-\dfrac{E+V_\gamma}{R+r_D}: Vout={0,E≥−1 VRR+rD(E+Vγ)=0,8 (E+1),E≤−1 VV_{out}=\begin{cases}0,&E\ge-1\ \mathrm V\\ \dfrac{R}{R+r_D}(E+V_\gamma)=0{,}8\,(E+1),&E\le-1\ \mathrm V\end{cases} Punto di spezzamento (−1; 0)(-1;\,0); a E=−6 VE=-6\ \mathrm V: Vout=−4 VV_{out}=-4\ \mathrm V (derivazione in Raddrizzatori e circuiti a diodi con caricoCon un diodo ideale in serie a un carico R e un generatore v_g = V_p sin ωt si ha il raddrizzatore a semionda: media V_p/π, valore efficace V_p/2, potenza V_p²/(4R); il doppio raddrizzatore (ponte) ha media 2V_p/π, efficace V_p/√2, potenza V_p²/(2R). Con V_γ i picchi si abbassano di V_γ. Un condensatore in parallelo al carico trasforma il circuito in un rivelatore di picco: ripple ≈ V_p/(fRC) (semionda). Se in serie c'è anche un generatore continuo E si valuta quando il diodo conduce (può essere sempre ON o sempre OFF). Con l'opamp il diodo nell'anello di retroazione elimina la caduta V_γ (raddrizzatore di precisione).Raddrizzatori e circuiti a diodi con carico →).

Errori comuni

  • Dare per valida la zona di saturazione senza controllare VDSV_{DS} (n-MOS: VDS>VGS−VtV_{DS}>V_{GS}-V_t; p-MOS: VDS<VGS−VtV_{DS}<V_{GS}-V_t).
  • Per un MOSFET alimentato con generatori di corrente: confrontare la corrente imposta dal circuito con quella di saturazione a quel VGSV_{GS} (se è minore, ohmica).
  • Nei pnp sbagliare i segni di VBEV_{BE} (−0,7 V-0{,}7\ \mathrm V), ICI_C (<0<0) e VCBV_{CB}.
  • Dimenticare αF=βF/(1+βF)\alpha_F=\beta_F/(1+\beta_F) (IC=αFIEI_C=\alpha_FI_E).
  • Calcolare routr_{out} del MOSFET a diodo senza gog_o o con ror_o da sola.

Versione ripasso

  • Depletion con VGS=0V_{GS}=0 (IDSS=2,5I_{DSS}=2{,}5 mA, Vt=−3,5V_t=-3{,}5 V, 1212 V, 44 k): saturazione darebbe VDS=2V_{DS}=2 V <VGS−Vt=3,5<V_{GS}-V_t=3{,}5 V ⇒\Rightarrow ohmica (VDS=2,63V_{DS}=2{,}63 V). Speculare per il p-MOS.
  • Due generatori di corrente (VGS=RI1=0,2V_{GS}=RI_1=0{,}2 V; corrente richiesta 0,70{,}7 mA <1,28<1{,}28 mA di saturazione): ohmica, VDS=−0,26V_{DS}=-0{,}26 V.
  • pnp con IB=−25 μI_B=-25\ \muA: βFIB\beta_FI_B impossibile; saturazione, IC=−4I_C=-4 mA, βforz=160<200\beta_{forz}=160<200.
  • RCR_C per VCB=0V_{CB}=0: VE=0,7V_E=0{,}7, IE=5I_E=5 mA, IC=0,99⋅5=4,95I_C=0{,}99\cdot5=4{,}95 mA, RC=124,95=2,42R_C=\frac{12}{4{,}95}=2{,}42 kΩ.
  • MOS a diodo, rout=1gm+go=243 Ωr_{out}=\frac1{g_m+g_o}=243\ \Omega (gm=4,08g_m=4{,}08, go=0,038g_o=0{,}038 mS).
  • Diodo lineare a tratti (Vγ=1V_\gamma=1, rD=10 Ωr_D=10\ \Omega, R=40 ΩR=40\ \Omega): Vout=0V_{out}=0 (E≥−1E\ge-1), 0,8(E+1)0{,}8(E+1) (E≤−1E\le-1).
  • Errori: verificare VDSV_{DS}; confrontare con la corrente di saturazione; segni del pnp; αF\alpha_F; gog_o.

Teoria collegata