invertitore RTL (Circuito amplificatore) con modello a soglia (17)

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 Dopo aver ricavato un modello a soglia anche per il transistore bipolare a giunzione, è possibile effettuare ora l'analisi del circuito amplificatore a emettitore comune (figura 1). 
Figura 1: circuito amplificatore - invertitore.
Il circuito è descritto dalle medesime leggi:

  • Q1 OFF: il transistor è spento quando VBE = Vi < Vγ. Non circola corrente, dunque IB = IC = 0. Dalla seconda legge, risulta Vu = VDD ;
  • Q1 AD: secondo la descrizione a soglia, la tensione VBE = Vi = Vγ e, teoricamente, non può cambiare valore. La corrente di collettore, tanto quanto la corrente di base, è positiva e vale
     Tuttavia, non si conosce ancora il valore della tensione in uscita, ma si sa soltanto che VDD < Vu < VCE,SAT così che non può essere determinata una corrente di collettore, dalla quale ricavare la corrente di base.
  • Q1 SAT: si conoscono con certezza due valori, ossia VBE = Vi = Vγ  e VCE = Vu = VCE,SAT. Questo significa che, nel piano della caratteristica, è soltanto un punto fisso.
Cosa succede, allora, quando Vi supera il valore di soglia Vγ? Secondo il modello a soglia, tutto il circuito smetterebbe di funzionare. Si conclude che il modello a soglia non è sufficiente a dare una caratteristica a questo circuito.

Invertitore RTL

Si consideri il medesimo circuito amplificatore, ma si inserisca una resistenza tra l'ingresso e il terminale di base del transistore npn, come mostrato in figura 2.
Figura 2: circuito invertitore RTL.
Il circuito prende il nome di invertitore RTL (resistor-transistor logic) ed è l'elemento base della famiglia RTL appunto, nella quale le porte logiche vengono realizzare con bjt e resistenze. Il nome invertitore deriva dal fatto che il circuito funziona come la porta logica NOT.
Le leggi che governano il circuito sono
  • Q1 OFF: come nel caso precedente. Siccome VBE < Vγ e IB = IC = 0 allora Vi < Vγ. L'uscita vale ancora Vu = VDD;
  • Q1 AD: il transistore è acceso e vale VBE = Vγ. Si può facilmente ottenere la corrente di base,
    da cui si può ottenere la corrente di collettore secondo l'espressione del guadagno di corrente in regione attiva diretta:
    .
    Inserendo l'espressione appena ottenuta nella (2), si ottiene:
    che è valida fintanto che Vu > VCE,SAT.
  • Q1 SAT: il transistore è acceso e vale ancora VBE = Vγ. Ora, però, si conosce il valore della tensione tra collettore ed emettitore: VCE = Vu = VCE,SAT. Per trovare il valore della tensione di ingresso al quale l'uscita vale esattamente VCE,SAT è necessario eguagliare l'espressione trovata nel punto precedente a Vu = VCE,SAT: 
Si è ottenuta una caratteristica totale per il circuito di figura 2. L'andamento della curva è mostrato in figura 3.
Figura 3: caratteristica Vu(Vi) del circuito invertitore RTL.

Regime digitale: si supponga che l'ingresso sia un segnale digitale che può assumere solo una coppia di valori: {VL (valore basso),VH (valore alto)} = {0, VDD}. Inserendo il valore Vi = VL = 0, si osserva nella caratteristica che Vu = VDD = VH. Viceversa, se si polarizza Vi = VH = VDD si ottiene in uscita, con certezza, Vu = VCE,SAT che è un valore molto prossimo a VL. Con questa semplicissima prova, si è dimostrato il funzionamento di questo circuito come porta logica NOT.

Regime analogico: quando il transistore Q1 lavora in regione attiva diretta, il circuito ha la funzione di amplificatore a singolo transistor. Il guadagno di tensione si ottiene calcolando la derivata dell'espressione della tensione di uscita, ricavata per Q1 AD, fatta rispetto alla tensione in ingresso:
il guadagno negativo non deve assolutamente spaventare, significa soltanto che la tensione in uscita è invertita di polarità rispetto a quella in ingresso.

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