WYKŁAD 6 TRANZYSTORY POLOWE

Transkrypt

1 WYKŁA 6 RANZYSORY POLOWE RANZYSORY POLOWE ZŁĄCZOWE (Juctio Field Effect rasistors) 55 razystor polowy złączowy zbudoway jest z półprzewodika (w tym przypadku typu p), w który wdyfudowao dwa obszary bramki (w tym przypadku typu ). Między źródłem a dreem prąd może płyąć tylko kaałem, który ograiczoy jest dre () obszarami złącza z bramką, czyli strefami ładuku przestrzeego, o wysokiej oporości. Jeżeli bramka zostaie spolaryzowaa w kieruku zaporowym względem kaału, strefa ładuku bramka (G) przestrzeego poszerzy się, co spowoduje zwężeie kaału i zwiększeie rezystacji trazystora między źródłem i dreem. W związku ze spadkiem apięcia wzdłuż kaału szerokość jego maleje wraz ze wzrostem odległości od dreu. Gdy różica potecjałów między kaałem i bramką jest dostateczie duża, strefy ładuku przestrzeego obu obszarów bramki łączą się i kaału jest odciay. Następuje stabilizacja prądu dreu I. Sterowaie trazystora polowego złączowego (regulacja oporości jego kaału) odbywa się poprzez regulację apięcia zaporowego złącza bramka - kaał. zięki temu rezystacja wejściowa tego trazystora sięga 1 9 Ω. typ kaał (typ p) typ U S źródło (S) U GS S U S apiecie odciecia I U GS =7 V S U GS U S

2 56 RANZYSORY POLOWE Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ bramka (G) metal Isolated Gate Field Effect rasistors SiO Metal Oxid Semicoductor Field Effect rasistors razystor polowy z izolowaą bramką jest zbudoway z krzemu. Rozważymy przykład trazystora zbudoway a podłożu (Bulk) typu. W podłoże wdyfudowao dwa obszary typu p, dre () podłoże (B) źródło (S) tworzące źródło (Source) i dre (rai). Powierzchię trazystora utleioo wytwarzając kilkumikroową izolującą warstwę SiO, a którą położoo warstwę metalu, staowiącą bramkę. Opór bramki względem podłoża sięga Ω. Przyłożeie apięcia między źródło i dre ie spowoduje przepływu prądu, poieważ dla dowolego kieruku tego apięcia jedo ze złącz : źródło-podłoże lub dre-podłoże, jest spolaryzowae zaporowo. Spolaryzowaie bramki dodatio względem podłoża powoduje zgromadzeie się tuż pod warstewką SiO miejszościowych elektroów i odepchięcie dziur. Lokalie kocetracja elektroów przewyższa kocetrację dziur. Powstaje obszar o własościach podobych do półprzewodika typu. zięki temu zikają złącza p między źródłem, kaałem i dreem. Wówczas prąd może przepłyąć w obwodzie dreu. Zmieiając apięcie bramki względem podłoża zmieia się szerokość kaału, a tym samym oporość między źródłem i dreem. Przepływ dużego prądu przez kaał wywołuje spadek apięcia wzdłuż jego długości, co jest przyczyą zmieej szerokości kaału. W pewych warukach kaał może zostać odcięty. kaał B G U S p S U GB apiecie odciecia U GS I 1 S B U GS =7 V U S

3 57 W techice MOS moża wytwarzać trazystory wielobramkowe. G 1 G S Symbole trazystorów polowych : B G G z kaałem typu S,B z kaałem typu p S,B razystory typu MOSFE są bardzo delikate. Izolacyja warstwa SiO może łatwo ulec uszkodzeiu pod wpływem ładuków elektrostatyczych. Z tego powodu często zabezpiecza się je wbudowując diody Zeera : Za pomocą odpowiedich zabiegów techologiczych moża wykoywać trazystory MOSFE posiadające kaał awet wtedy, gdy bramka ie jest spolaryzowaa. razystor taki (tzw. wstępie otwarty) moża regulować dodatimi i ujemymi apięciami bramki względem podłoża. I 1. MOSFE wstępie otwarty MOSFE wstępie zamkięty U GS

4 58 Nieliiowe układy elektrycze. Większość elemetów elektroiczych, poza rezystorami, kodesatorami i cewkami, to elemety ieliiowe. Ozacza to, że płyący przez ie prąd I ie jest liiową fukcją apięcia U, lecz w ogólości wyraża się szeregiem : I = = s U. Przykładami takich elemetów są diody, trazystory, tyrystory, lampy itd. la każdego puktu charakterystyki ieliiowej o współrzędych U X,, I X (tzw. puktu pracy) moża określić rezystację a dwa sposoby : I I x R U x r R U el. ieliiowy jako rezystację zwykłą : R = U X ; I X E jako rezystację różiczkową : r = du. di U X W przypadku elemetu liiowego obie oporości są sobie rówe. la elemetów ieliiowych wielkości te E-RI a ogół różią się, a w szczególości rezystacja różiczkowa może przyjmować wartości ujeme. Iymi obiektami elektroiczymi, które charakteryzują się ujemą rezystacją są wzmaciacze. ak więc za pomocą iektórych elemetów ieliiowych moża wzmaciać sygały. I E/R I x U x Rozwiązywaie obwodów z rezystacją ieliiową jest trude. latego powszechie stosuje się metody wykreśle. Jeżeli w obwodzie, w którym elemet ieliiowy jest szeregowo połączoy z rezystacją R, zajduje się źródło siły elektromotoryczej E i płyie prąd I, to spadek apięcia a elemecie ieliiowym wyosi : U=E - RI. Rówaie to opisuje prosta obciążeia 1. Pukt przecięcia prostej obciążeia z charakterystyką elemetu ieliiowego (U X,, I X ) jest poszukiwaym puktem pracy. W te sposób rozwiązay został jede z ajprostszych, a jedocześie jede z ajbardziej typowych obwodów ieliiowych. E U 1 Idetyczą aalizę stosowaliśmy już przy wyzaczaiu puktu pracy wzmaciacza trazystorowego.

5 u WE (t) u WY (t) t 59 t C WE WY C układ ieliiowy 4 5 Jeżeli w obwodzie zajduje się źródło sygału harmoiczego : E = Acos( t + φ), to sygał wyjściowy obwodu (p. spadek apięcia wytwarzay a rezystorze R) ma postać : szeregu : UWY = (Acos( t + φ). Zgodie z twierdzeiem Fouriera = ) moża go przedstawić jako : UWY = k ( ) Acos( t + φ ). = Jak widać widmo sygału wyjściowego układu ieliiowego jest bogatsze iż widmo przebiegu wejściowego. W widmie sygału wejściowego istieje tylko składowa o częstotliwości, podczas gdy w widmie sygału wyjściowego pojawiają się składowe o częstotliwościach,, 3, itd. wierdzeie Fouriera : jeżeli fukcja u(t) jest okresowa, o okresie, to moża ją przedstawić w postaci szeregu : ut () = ao + C cos( t + φ ), gdzie : = a = 1 utdt ( ), b = ut ()si( tdt ), a = ut ()cos( tdt ), i C = a + b φ = arctg b a π =. Zbiór trójek liczb (C,, φ ) jest azyway widmem sygału, a jego składowe o częstościach - harmoiczymi. Fukcja okresowa charakteryzuje się widmem dyskretym. u(t) ie jest okresowa, jej widmo ma charakter ciągły : W przypadku, gdy fukcja + S u t e j t jϕ( ) ( ) = ( ) dt = S( ) e, przy czym : S( ) = A ( ) + B ( ), ϕ ( ) = arctg B ( ) A( ) i A( ) = u ( t)cos( t) dt B( ) = u( t)si( t) dt

6 6 S() mowa S() szum u(t) C t u(t) S() t Układy liiowe (p. układy RLC) rówież zmieiają widmo sygału, oddziaływując a amplitudę i fazę poszczególych składowych harmoiczych. Jedak układy liiowe ie wzbogacają widma sygału, to zaczy, ie powodują pojawieia się w im owych składowych harmoiczych. Zastosowaia układów ieliiowych. POWIELACZ CZĘSOLIWOŚCI. Zjawisko wzbogacaia widma sygału wyjściowego w stosuku do sygału wejściowego jest wykorzystywae do powielaia geerator układ ieliiowy filtr rezoasowy częstotliwości. Jeżeli a wejście układu ieliiowego dostarczoy zostaie sygał siusoidaly, a wyjściu pojawi się sygał będący kombiacja jego harmoiczych. Stosując filtr rezoasowy moża wyselekcjoować składową o wybraej częstotliwości.,, 3,...

7 61 MIESZACZ CZĘSOLIWOŚCI Gdy a wejście układu ieliiowego skieroway zostaie sygał składający się z dwu składowych siusoidalych o częstotliwości 1 i, w widmie sygału wyjściowego poza harmoiczymi obydwu sygałów pojawią się także składowe o częstotliwościach iterkombiacyjych. Zjawisko to jest azywae mieszaiem częstotliwości. Przy użyciu filtrów moża wyselekcjoować dowola składową. Przetwarzaie częstotliwości jest szeroko wykorzystywae w układach pomiarowych stosowaych między iymi w laboratoriach pomiarowych. Idee elektroiki ieliiowej obecie stosowae rówież w elektroice kwatowej - tj. techice laserowej. Bez elektroiki ieliiowej ie może także obyć się radiotechika. 1 1, 1, 3 1,...,, 3, , 1 -,......, 1 +,..., 1 -,... układ ieliiowy 1,5 1,,5, u(t) -,5-1, -1,5 π Ω filtr rezoasowy 1 +m,,5 1, 1,5, czas π MOULACJA AMPLIUOWA (AM). Jedym ze sposobów przekazywaia iformacji (o częstotliwości Ω) za pomocą fali radiowej (o częstotliwości ) jest modulacja amplitudy : ut () = U 1 + msi( Ωt)si( t), gdzie m 1 jest azywae głębokością modulacji. Za pomocą elemetarych przekształceń trygoometryczych wzór te przedstawić w postaci : Ut () = U si( t) + 1 mu cos( + ) t cos( ) t { [ Ω ] [ Ω ]} [ ] +Ω -Ω Widać stąd, że widmo fali zmodulowaej amplitudowo składa się z trzech składowych o

8 6 częstotliwościach :,(fali ośej) oraz +Ω i -Ω (wstęg boczych). Nadajik: geerator powielacz modulator (mieszacz) filtr rezoasowy wzmaciacz w. cz. mikrofo / wzmaciacz m. cz. Ω, +Ω -Ω atea EMOULACJA FALI ZMOULOWANEJ AMPLIUOWO. echika ieliiowa jest rówież iezbęda przy odbiorze iformacji przekazywaej drogą radiową. Najprostszy odbiorik składa się z atey, filtru rezoasowego (do wyboru stacji adawczej czyli częstości ), elemetu ieliiowego zwaego detektorem i filtru iskiej częstotliwości selekcjoującego sygał iformacyjy o częstotliwości Ω. W układzie ieliiowym astępuje mieszaie składowych przebiegu zmodulowaego amplitudowo. zięki temu w widmie wyjściowym otrzymuje się składowa iskiej częstotliwości, która jest odtwarzaa przez słuchawkę. atea +Ω -Ω filtr rezoasowy detektor Ω filtr doloprzepustowy słuchawka Odbioriki detektorowe mogą być wykorzystywae tylko do odbioru bardzo silych stacji. Aby poprawić czułość radioodbiorików wmotowywao do ich heterodyy, czyli atea i filtr rezoasowy wzmaciacz w. cz. mieszacz wzmaciacz m.cz głośik +Ω -Ω wewętrze geeratory pracujące a częstotliwości odbieraej stacji. Ω heterodya zięki temu, że do mieszaia wykorzystuje się sila falę o częstotliwości, otrzymuje się większa amplitudę fali o częstotliwości Ω, którą po wzmocieiu moża odsłuchać przez głośik.

9 63 Najdoskoalszymi odbiorikami odbioriki superheterodyowe. Ich oscylatory wewętrze (heterodyy) pracują a częstotliwości h takiej, że : - h = p =cost. Częstotliwości różicowe p (tzw. częstotliwości pośredie) stałe, iezależe od odbieraej stacji, staowią międzyarodowe stadardy i są przez służby radiowe specjalie chroioe przez zakłóceiami. +Ω -Ω filtr i wzmaciacz cz. pośrediej mieszacz detektor wzmaciacz m. cz. i głośik atea + filtr rezoasowy wzmaciacz w. cz. h heterodya - h - h +Ω - h -Ω Ω Za pomocą mieszacza sygał radiowy jest przesuway a skali częstości w rejo częstotliwości pośrediej - h,, gdzie podlega wąskopasmowej filtracji, wzmocieiu, a astępie zwykłej detekcji. zięki temu uzyskuje się wysoką selektywość, co pozwala otrzymywać czułości radioodbiorików rzędu mikrowoltów. Zjawiska zachodzące w układach ieliiowych wykorzystuje się powszechie do przetwarzaia fal elektromagetyczych w zakresie częstotliwości radiowych, mikrofal, aż do promieiowaia świetlego

10 64 Kolokwium końcowe - pytaia 1. Źródło apięciowe i prądowe. Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa. 3. Zasada heveia i zasada Nortoa 4. Impedacja: rezystacja i reaktacja 5. Łączeie impedacji - impedacje zastępcze 6. zielik apięcia 7. Układy rezoasowe, zjawisko rezoasu, dobroć i częstotliwość rezoasowa. 8. Układ całkujący i różiczkujący 9. Częstotliwość graicza. Pasmo przeoszeia. 1. Pasożyticze dzieliki apięcia powstające przy łączeiu aparatury elektryczej. 11. Pasożyticze filtry powstające przy łączeiu aparatury elektryczej. 1. Impedacja falowa liii przesyłowych. Odbicia sygałów w liiach. 13. Fizycze podstawy przewodictwa w ciałach stałych. 14. Półprzewodiki samoiste i domieszkowae 15. Fizycze podstawy działaia diody półprzewodikowej. Napięcie przewodzeia. 16. Prostowiki jedo- i dwupołówkowe. 17. iody Zeera, diody elektrolumiescecyje, fotodiody. 18. ziałaie trazystora bipolarego 19. ziałaie trazystora polowego złączowego. ziałaie trazystora polowego z izolowaą bramką 1. Wzmaciacze trazystorowe. Częstotliwość graicza trazystora 3. Pukt pracy trazystora we wzmaciaczu 4. Układy ieliiowe. Rezystacja zwykła i rezystacja dyamicza 5. Co to jest widmo sygału 6. Powielaie i sumowaie częstotliwości 7. Modulacja i detekcja fali zmodulowaej amplitudowo. 8. Zasilacz, woltomierz, amperomierz, oscyloskop, geerator.

11 65 Notatki włase