Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE

Transkrypt

1 Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE projektowanie poradnikowe u 1 (t) C 1 U B0 I 1 R 1 R 2 I 2 T I B0 R E I E0 I C0 V CC R C C 2 U C0 U E0 C E u 2 (t) Zadania elementów: T tranzystor- sterowane źródło prądu R 1, R 2 dzielnik nap. -polaryzacja złącza baza-emiter R C przetwornik prąd napięcie -wzmocnienie napięciowe R E przetwornik prąd napięcie -ujemne sprzężenie zwrotne - stabilizacja punktu pracy C E pojemność emiterowa -likwidacja ujemnego sprzężenia zwrotnego dla sygnału zmiennego. C 1, C 2 pojemności odcinające - separacja składowej stałej - punkt pracy nie reaguje na podłączone, zewnętrzne napięcia stałe. i C =g m r π i B =βi B w.9, p.1

2 Tranzystor bipolarny projektowanie poradnikowe dla OE U BE0 =U B0 -U E0 =const U B0 R 2 I B0 U BE0 R E I E0 Zasada stabilizacji prądu I E0 I E0 U BE0 I E0 U E0 W układzie zapewnione jest stałe napięcie U B0, natomiast napięcie U E0 = I E0 R E, zależy od wielkości prądu I B0. Prąd określamy w oparciu o parametry katalogowe tranzystora. Dla tranzystora BC107 można przyjąć, że I E0 jest równe od 0.5 ma do 10 ma, natomiast stała wartość napięcia U E0 powinna zawierać się w granicach 0.1V CC do 0.3V CC. Pozwala to na osiągnięcie optymalnej stabilności układu. Powyższe założenia pozwalają na obliczenie wartości opornika R E =U E0 /I E0 w.9, p.2 I B0 =I S ( e U BE 0 nu T 1 ) w efekcie I E0 stałe!

3 Tranzystor bipolarny projektowanie poradnikowe dla OE u 1 (t) C 1 U B0 I 1 R 1 R 2 I 2 I B0 R E I E0 I C0 V CC R C C 2 U C0 U E0 C E u 2 (t) Następnie określamy wartości oporników R 1 i R 2 tak by określone przez ich wartości napięcie U B0 było w dobrym przybliżeniu stałe. Zakładamy, że tak jest, gdy zależny od temperatury prąd I B0 jest od 10 do 20 razy mniejszy od prądu I 1. Prąd I B0 =I E0 /β gdzie β znajdujemy w katalogu. Przyjmując że U B0 =U E mamy: R 1 = (V CC -U B0 )/I 1 R 2 =U B0 /I 1 R 1, R 2, R 3 U CC w.9, p.3

4 Wzmocnienie OE projektowanie poradnikowe R C V CC - U C0 Wartość opornika R C obliczamy w oparciu o żądaną wartość wzmocnienia układu V CC K U = β R C / r π R E U T U E0 U C0 lub np. żądając maksymalnych możliwych zmian dla napięcia wyjściowego (patrz tabela na kolejnym slajdzie) w.9, p.4

5 Tranzystor bipolarny projektowanie poradnikowe dla OE krok Określenie napięć i prądów Określenie elementów Uwagi I U E0 =2V V CC =12V V CC =12V, U E0 =2V, założenie II I E0 =1 ma R E =U E0 /I E0 = 2k I E0 = 1mA, założenie III I B0 = I E0 /β =0.005mAmA β=200, wartość przykładowa IV U B0 =U E V=2.7 V napięcie U BE0 =0.7 V założenie V I 1 I 2 =20 I B0 =0.1mA R 2 =U B0 /I 2 =27 k R 1 =(V CC -U B0 ) /I 1 = 93k I 2 =20 I B0, założenie VI I C0 =I E0 -I B0 I E0 =1 ma I E0 >>I B0 VII U C0 =V CC -I C0 R C U C0 =(V CC +U T +U E0 )/2=7.5mAV R C =(V CC -U C0 )/I C0 =4.5mAk Maksymalny zakres zmian napięcia wyjściowego u 2 (t) U T =1V, założenie R C =K u r π /β Opór R C określony przez żądane wzmocnienie napięciowe układu K U w.9, p.5

6 Rezystancja dynamiczna r e (małe sygnały zmienne) Występuje w emiterze i określona jest jako: r e = du BE di E (Pominięto elementy ustalające punkt pracy tr.) R g du BE di C = 1 di C du BE B I C C = U T I C = 0.025mAV I C I C =I s e U BE U T = 25mA mv 1 ma =25mA u g u u E 2 1 r e zależy głównie od prądu kolektora, I C. w.9, p.6

7 Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza o OE (małe sygnały zmienne) Pamiętając, że dla sygnałów zmiennych rezystor R E jest zwarty do masy (nieobecny) poprzez kondensator C E, możemy napisać: u 1 =r e i E k= u 2 R C u 2 =R C i C u 1 r (i E i C ) e (Pominięto elementy ustalające punkt pracy tr.) R g B I C R C C u g u u E 2 1 w.9, p.7

8 Wzmocnienie k, przykład. k R C r e = 1.2 k 25mA mv 5mA.76 ma = 1.2 k 4.3 =280 Jeśli by nie było kondensatora C E : k= u 2 u 1 R C r e +R E = 1.2 k =1.75mA w.9, p.8

9 Źródło prądu stałego przykład z diodą Zenera U E0 =U B0-0.6 I C I E =U E0 /R E V CC a) b) A R I C =(U B0-0.65)/R E 1 B R A I C =(U B0-0.65)/R E B V CC D Z U B0 R 2 R E U E0 U B0 R E w.9, p.9

10 Tranzystor polowy, unipolarny FET FET (ang. Field Effect Transistor) W tranzystorach polowych sterowanie przepływem prądu w kanale utworzonym pomiędzy elektrodami zwanymi źródłem (S) i drenem (D) odbywa się za pomocą zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody nazywanej bramką (G). Prąd jest wynikiem ruchu jednego typu nośników, to jest nośników większościowych: dziur lub elektronów. Dwa główne typy tranzystorów polowych: Tranzystor złączowy JFET (junction FET); Tranzystor polowy z izolowaną bramką IGFET ( np.: MOSFET - metal oxide semiconductor FET) w.9, p.10

11 Tranzystor JFET w.9, p.11 Tranzystor polowy złączowy zbudowany jest z półprzewodnika (w tym przykładzie typu n), w który wdyfundowano dwa obszary bramki (typu p). Pomiędzy źródłem i drenem prąd może płynąć tylko kanałem, którego szerokość ograniczona jest obszarami złącza z bramką, czyli strefami ładunku przestrzennego o wysokiej oporności. Rezystancję kanału można zmieniać przez zmianę jego szerokości, a więc przez zmianę napięcia U GS polaryzującego złącze p -n w kierunku zaporowym. Odpowiednio duże napięcie U GS może spowodować połączenie warstw zaporowych i zamknięcie kanału. Rezystancja będzie wówczas bardzo duża ( M ). Tranzystor JFET stanowi rezystor sterowany napięciowo.

12 Tranzystor JFET - charakterystki w.9, p.12

13 Tranzystor JFET - model zastępczy w.9, p.13

14 Tranzystor MOSFET (z kanałem wzbogaconym) Metal-Oxide-Semiconductor FET w.9, p.14

15 Tranzystor MOSFET - budowa, działanie Metal-Oxide-Semiconductor FET w.9, p.15 Polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli U DS =0 i U GS =0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n + (dren i źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie)

16 Tranzystor MOSFET - działanie cd. Gdy bramka jest spolaryzowana napięciem U GS >0, dodatni ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia U GS. w.9, p.16

17 Tranzystor MOSFET - działanie cd. Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu U DS >0 to popłynie prąd drenu I D tym większy im większe będzie napięcie U DS. Zależność prądu drenu I D od napięcia drenu U DS nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne U DS zmienia stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy. w.9, p.17 Ze wzrostem U DS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy U DS =U GS kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Dalszy wzrost napięcia drenu U DS będzie powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu I D.

18 Tranzystor MOSFET - charakterystyka w.9, p.18

19 Tranzystor FET - rodzaje w.9, p.19

20 Rodzaje FET w.9, p.20

21 w.9, p.21 Elektronika cyfrowa

22 Układy cyfrowe W układach cyfrowych sygnały napięciowe (lub prądowe) przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przyporządkowywane są wartości liczbowe. Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć: wysokiego (H high) niskiego (L low). Zauważmy, że: dwa znaki (H, L) wystarczają aby w układach cyfrowych i komputerach zapisywać dowolną informację - liczby, słowa, instrukcje (do wykonania przez urządzenie eketroniczne) itp. np.: A- LL; F- HH; I- HL; S- LH w.9, p.22 i kodujemy pewną wiadomość: HHLLHLLH

23 Układy cyfrowe w.9, p.23 W istocie dwa znaki odpowiadają binarnemu (dwójkowemu) systemowi liczbowemu. Podobnie jak w systemie dziesiętnym zapisujemy liczby stosując dziesięć znaków i podstawą jest liczba 10 (na przykład = ) tak w systemie binarnym wykorzystujemy tylko dwa znaki: H i L, wygodniej jest użyć 1 i 0, a podstawą jest liczba 2. Na przykład = Teraz kod z poprzednego slajdu wygląda tak: a sama wiadomość ma postać: A- 00; F- 11; I- 10; S- 01 Poziomom napięć H i L możemy przyporządkować wartości logiczne 1 (prawda) oraz 0 (fałsz). Można dokonać odwrotnego przyporządkowania. Przyporządkowanie H - 1 oraz L - 0 nazywa się logiką dodatnią. Przyporządkowanie H - 0 oraz L - 1 nazywa się logiką ujemną.

24 Układy cyfrowe Pracę takich układów cyfrowych (układów logicznych) opisuje się za pomocą dwuwartościowej algebry Boole`a. Logika dodatnia (w standardzie TTL): V V V V Ze względu na obecność zakłóceń, wahania napięcia zasilającego, sygnały w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości. Z tego powodu liczby przyporządkowuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć oddzielonych przerwami. W takiej sytuacji typowe zakłócenia nie stanowią poważnej przeszkody dla prawidłowej transmisji sygnałów cyfrowych. Jeżeli napięcie przyjmie wartość z zakresu przerwy to stan układu jest nieokreślony. w.9, p.24

25 Układy logiczne Algebra Boole'a: Zmienne przyjmują dwie wartości: 1 - prawda (true), 0 fałsz (false) Podstawowe operacje na zmiennych A i B: Iloczyn logiczny: A*B A AND B Suma logiczba: A+B A OR B Negacja: ~A NOT A w.9, p.25 A B A*B A B A+B A ~A

26 Układy logiczne Podstawowe tożsamości algebry Boole a w.9, p.26

27 Układy cyfrowe - definicje Układ cyfrowy o m wejściach i n wyjściach. W układach logicznych na każdym z wejść /wyjść może występować stan 0 lub 1 będący jednostką informacji zwaną bitem. Wektory x=(x 1, x 2,..., x m ) i y=(y 1, y 2,...,y n ) nazywamy słowami logicznymi. Słowo ośmiobitowe nazywamy bajtem. Każde słowo logiczne może być interpretowane jako pewna liczba zapisana w kodzie binarnym. Na przykład czterobitowe słowo (1101) w kodzie dziesiętnym jest liczbą: = 13 w.9, p.27

28 Układy cyfrowe - klasyfikacja w.9, p.28

29 Układy cyfrowe - kombinacyjne Bramki logiczne Bloki funkcjonalne komutatory (multipleksery, demultipleksery) konwertery kodów (kodery, dekodery, transkodery) bloki arytmetyczne (sumatory, komparatory,... ) w.9, p.29

30 Bramki logiczne (rodzaj, funkcja logiczna, symbol, tablica prawdy) w.9, p.30

31 Bramki logiczne - wielowejściowe np.: wielowejściowa bramka AND Wartość logiczna 1 pojawia się na wyjściu jedynie wówczas, gdy stan logiczny wszystkich wejść wynosi 1. W innych przypadkach f = 0. Bramka taka bywa nazywana układem koincydencyjnym. w.9, p.31

32 Bramki logiczne Najbardziej uniwersalnymi bramkami są bramki NAND i NOR. Używając tyko bramek NAND lub tylko bramek NOR można zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną. Przykłady realizacji podstawowych funkcji logicznych ( NOT, AND, OR ) przy użyciu bramek NAND : w.9, p.32

33 Bramki logiczne Przykłady realizacji podstawowych funkcji logicznych ( NOT, OR, AND) przy użyciu bramek NOR: w.9, p.33

34 Bramki logiczne praktyczna realizacja OR AND Układ OR: podanie na wszystkie wejścia napięcia 0 V - 0 polaryzuje diody w kierunku zaporowym. Na wyjściu mamy wtedy napięcie masy - 0 V tzn. 0. Układ AND: podanie na jedno z wejść napięcia 0 V - 0 polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia. Na wyjściu mamy niewielkie napięcie równe spadkowi napięcia na diodzie 0.6 V tzn. 0. w.9, p.34

35 Bramki logiczne praktyczna realizacja NAND Układ TTL 7400 Zakres napięć na wejściach: L - (0-0.8) V H - (2-5.5) V Zakres napięć na wyjściu: L - (0-0.4) V H - ( ) V w.9, p.35

36 Stany H i L w technice TTL i CMOS w.9, p.36

37 Przykład układów TTL Schemat układów 7400 i 7404 Można ich następnie użyć do budowania bardziej złożonych funkcji logicznych w.9, p.37

38 Układ scalony w technice TTL Przekrój: w.9, p.38