TRANZYSTOR BIPOLARNY

Transkrypt

1 Podstawy teoretyczne Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr. 8 TANZYST PLANY 1.1. Tranzystor bipolarny. dowa, zasada działania. Tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym o dwóch złączach p-n zbdowanym z trzech warstw półprzewodników domieszkowych wykazjących kolejno przewodnictwa typ p-n-p lb n-p-n. Są one zyskane w monokrysztale półprzewodnika, najczęściej krzem (rys. 1). ys. 1. Strktra, polaryzacja elektrod i symbol graficzny tranzystora: a) typ p-n-p b) typ n-p-n Warstwa wewnętrzna nazywa się bazą () a warstwy zewnętrzne emiterem (E) i kolektorem (). Emiter baza i kolektor mają doprowadzenia metaliczne zwane elektrodami tranzystora. Stan tranzystora zapewniający zyskanie przez niego właściwości wzmacniających zyskje się przez odpowiednią polaryzacją elektrod (rys. 1). Złącze emiterowe spolaryzowane jest w kiernk przewodzenia, zaś kolektorowe w kiernk zaporowym. Zachodzące w tranzystorze zjawiska fizyczne wyjaśniono na przykładzie tranzystora p-n-p. (rys. 2). W stanie równowagi, bez polaryzacji zewnętrznej na ob złączach tranzystora występją bariery potencjał ( 1 i 2 na rys.2a) spowodowane rekombinacją dzir z obszarów emitera i kolektora z elektronami obszar bazy. 1

2 ys. 2. Zasada działania tranzystora: a) tranzystor niespolaryzowany, b) tranzystor z polaryzacją kolektora, c) tranzystor w stanie normalnej polaryzacji kolektora i emitera. Zaznaczone na rys. 2a ładnki + i - oznaczają odpowiednio ładnki nierchomych jonów donorowych i akceptorowych. Jeżeli złącze kolektorowe ( 2 ) zostanie spolaryzowane w kiernk zaporowym przez włączenie źródła E, zwiększy się bariera potencjał 2 między kolektorem a bazą (rys.2b). W obwodzie baza-kolektor płynie prąd o małym natężeni zwany kolektorowym prądem zerowym. Jest on wynikiem rch nośników mniejszościowych 1 generowanych termicznie, zależy więc od temperatry. Dziry z bazy wpływają do kolektora, natomiast elektrony z kolektora do bazy. Jeżeli połączymy źródło E E, polaryzjące złącze emiterowe (J 1 ) w kiernk przewodzenia (rys. 2c) to obniży się bariera potencjał 1 między emiterem a bazą. Dziry z emitera przepływają drogą dyfzji do obszar bazy, gdzie częściowo rekombinją. Ponieważ szerokość bazy jest niewielka i np. w tranzystorach małej mocy zawiera się w granicach (,3-1)μm, liczba rekombinjących dzir w bazie stanowi (1-5)% dyfndjących z emitera dzir. Większość dzir osiąga więc złącze kolektorowe i jest noszona do obszar kolektora. Miarą bytk dyfndjących nośników większościowych emitera (prąd emitera) jest tzw. współczynnik wzmocnienia prądowego α, przy czym α= Δ (1) Δ E gdzie: Δ, Δ E - przyrosty prąd: kolektora i emitera. 1 Nośnikami mniejszościowymi są dziry w półprzewodnik typ n oraz elektrony w półprzewodnik typ p 2

3 Wartość współczynnika α jest nieco mniejsza od jedności i zawiera się w granicach (,95-,99). Wobec tego na podstawie rys. 2c jest: = α + (2) E W rozpatrywanym kładzie tranzystora sygnałem wejściowym (sterjącym) jest prąd emitera, zaś wyjściowym prąd kolektora. Taki kład nazywa się kładem o wspólnej bazie (). Mimo brak wzmocnienia prądowego można zyskać w nim dże wzmocnienie mocy, dzięki znacznem wzmocnieni napięciowem. Jest bowiem spełniona zależność: WE = E E << WY = (3) Spełnienie nierówności (3) wynika z fakt, że rezystancja baza-emiter E jest mniejsza od rezystancji kolektor-baza (złącze kolektorowe spolaryzowane w kiernk zaporowym). Działanie tranzystora n-p-n jest analogiczne do działania tranzystora p-n-p z tą różnicą, że napięcia polaryzjące są przeciwnych znaków, zaś na prąd emitera składa się rch elektronów, a nie dzir. Na rys. 3 przedstawiono zasadnicze kłady pracy tranzystora. ys. 3. Zasadnicze kłady pracy tranzystora: a) o wspólnej bazie (), b) o wspólnym emiterze (E), c) o wspólnym kolektorze (). W kładzie o wspólnym emiterze (rys. 3b) prądem wejściowym (sterjącym) jest prąd bazy a wyjściowym prąd kolektora. Zależność między tymi prądami powstaje po podstawieni prąd emitera obliczonego z -go prawa Kirchhoffa, czyli: do wzor (2) E = + (4) = α( + ) + (5) Stąd po przekształceni otrzymje się wyrażenie: α α = + 1 α 1 α (6) Po wprowadzeni oznaczeń: α α β =, 1 α E = 1 (7) α 3

4 otrzymje się zależność (6) w postaci: = β + (8) E gdzie: β - współczynnik wzmocnienia prądowego w kładzie E E - prąd zerowy kolektor-emiter w kładzie E (rys.1b) β Po względnieni ze wzor (7), że α = i podstawieni do wzor (6) otrzymje się 1 + β związek: β= (9) + Jest to wzór możliwiający wyznaczenie β jako tzw. statycznego (stałoprądowego) współczynnika wzmocnienia prądowego w kładzie E. W katalogach podaje się wartość współczynnika h 21e oznaczającego współczynnik wzmocnienia prądowego w kładzie E. odpowiadającą przyrostom prądów wejściowego i wyjściowego, czyli: h Δ 21e = (1) Δ = Współczynnik α jest bliski jedności, zatem β>>1. Typowe wartości współczynnika β zawierają się w granicach 2 9. W przypadk kład ze wspólnym kolektorem (rys. 3c) otrzymje się zależność prąd wyjściowego ( E ) od wejściowego w analogiczny sposób jak dla kład E. pisje ją wzór: E E = ( 1+ β ) + E (11) Dla każdego z trzech kładów pracy tranzystora, celem łatwienia analizy kładów wzmacniających w zakresie dżych zmian prądów i napięć przy małej częstotliwości, podaje się charakterystyki statyczne, najczęściej wejściową i wyjściową. Na rys. 4 podano typowy przebieg charakterystyk statycznych tranzystora n-p-n w kładzie E. ys. 4 Statyczne charakterystyki tranzystora w kładzie E. a) wejściowa b) wyjściowa 4

5 1.2. Analiza pracy jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego prąd zmiennego w kładzie E. ozpatrzmy przedstawiony na rys. 5 prosty kład wzmacniacza małej częstotliwości z tranzystorem pracjącym w konfigracji E. Przy brak zmiennego sygnał wejściowego ( 1 =) wzmacniacz znajdje się w tzw. stanie spoczynkowym. W kładzie płyną stałe prądy,, E. Pisząc równania dla oczek, dostajemy związki: = E (12) E = E (13) E ys. 5 Wzmacniacz tranzystorowy w kładzie E. Z równania (12) wynika zależność określająca wartość spoczynkowego prąd bazy: = E przy czym: E - napięcie progowe złącza emiterowego (,7 V) ównanie (13) opisje w kładzie współrzędnych, E tzw. prostą pracy wzmacniacza (rys. 6). Pnkt przecięcia P, odpowiadającej prądowi bazy charakterystyki =f( E ) z prostą pracy, ma współrzędne równe składowym stałym napięcia kolektorowego E i prąd kolektora. Jeżeli pojawia się sygnał wejściowy w postaci napięcia przemiennego 1, np. sinsoidalnego o równani 1 = 1m sinωt, to wymsza on w obwodzie bazy sinsoidalny prąd o amplitdzie: E (14) 1m 1m m = (15) 2 1 r 1 + E 2 + ( 1 + re ) ω S gdzie: r E - rezystancja dynamiczna złącza emiterowego w kiernk przewodzenia (kilka kω), 1 ω S dżo mniejsze od ( 1 +r E ). 5

6 ys. 6 Analiza graficzna wzmacniacza w kładzie E z rys. 5 Składowa zmienna prąd bazy powodje okresowe przeswanie się pnkt P po prostej pracy od pnkt P do P, co wywołje pojawienie się składowych zmiennych: prąd kolektorowego i z (t) i napięcia Ez (t) o równaniach: i Ez z (t) = sin ωt (16) m (t) = sin ωt (17) Znak mins we wzorze (17) oznacza, że dodatniem przyrostowi prąd bazy odpowiada jemny przyrost napięcia kolektorowego, a zatem omawiany wzmacniacz przeswa fazę napięcia wejściowego o π rad. Ponieważ napięcie wyjściowe 2 jest równe napięci E (rys.5), więc wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wynosi : k Em Δ2 = = Δ Em 1 1m Jeżeli przyjąć że odbiornikiem włączonym do wzmacniacza jest rezystor, to składowa zmienna napięcia na nim wynosi: z równania (13) dla składowej zmiennej jest: czyli: i z (18) z (t) = i z (t) (19) (t) = ΔE (t) = (t) (bo Δ F = ) (2) Ez Ez 6

7 wobec tego: z (t) = (t) (21) Ez Δ = Δ = (22) E Em czyli amplitda napięcia na odbiornik jest taka sama jak napięcia kolektor-emiter. Wzmocnienie napięciowe może więc być obliczone ze wzor (18). Wzmocnienie prądowe oblicza się ze wzor: Δ m k i = = (23) Δ Najczęściej jednak odbiornik włączony jest za pośrednictwem kondensatora S między kolektor a masę, czyli jak na rys. 7. Sprzężenie pojemnościowe z odbiornikiem dotyczy szczególnie przypadk, gdy obciążeniem wzmacniacza jest następny stopień wzmacniający (wzmacniacz wielostopniowy). m ys. 7 Wzmacniacz tranzystorowy E z odbiornikiem włączonym między kolektorem a masą oznacza rezystancję obciążenia wnoszoną np. przez następny stopień. względniając, że X S << impedancję obciążenia stanowi praktycznie tylko rezystancja. Pojemność S blokje przepływ składowej stałej prąd odbiornika. Pisząc równanie dla oczka ( rys. 7) dla 1 składowych zmiennych ( << ) otrzymje się związek: ω S ( i i ) + i + (24) z = gdzie: i z, i - składowe zmienne odpowiednio prąd kolektora i odbiornika, E - składowe stałe prąd i napięcia kolektora Ponieważ przy pomijalnym spadk napięcia na kondensatorze S dla składowej zmiennej prąd i : czyli: i = (25) Ez Ez i = (26) 7

8 więc po względnieni wzorów (25) i (26) we wzorze (24) otrzymje się zależność: Stąd dostajemy równanie: i Ez Ez + + (27) z = i = + 1 z Ez (28) Po zróżniczkowani równania (28) stronami względem i z mamy: d di Ez z = = (29) Ze wzor (29) wynika, że nachylenie prostej pracy względem osi i jest dla tego przypadk, mniejsze niż dla składowej stałej ( < ). trzymaną prostą pracy + nazywamy wówczas prostą dla składowych zmiennych. Zaznaczono ją na rys.8 linią przerywaną. ys. 8. Proste pracy wzmacniacza przedstawionego na rys dla składowej stałej, 2 - dla składowej zmiennej. Łatwo zaważyć, że podłączenie odbiornika zmniejsza wzmocnienie napięciowe * wzmacniacza gdyż 2 Em < 2Em (rys.8) Wobec tego wzmocnienie napięciowe: k * Δ = = Em Δ 1 1 m, (3) 8

9 wzmocnienie prądowe: k i * Em m = = = m m * We wzmacniaczach przedstawionych na rys. 5 i rys. 7 zastosowano zasilanie tranzystora z dwóch źródeł napięcia stałego. W kładach praktycznych stanowi to dżą niedogodność, dlatego stosje się trzy zasadnicze kłady polaryzacji tranzystora z jednym źródłem. Przedstawiono je na rys. 9. Em m (31) ys. 9 óżne sposoby polaryzacji tranzystora we wzmacniacz E. W kładzie pierwszym (rys. 9a), spoczynkowy prąd bazy stalony jest wartością rezystancji tzn. = E E ; E =,7V (32) Wadą tego kład jest dża zależność parametrów spoczynkowego pnkt pracy wzmacniacza od temperatry. Stabilizację termiczną pnkt pracy zapewnia kład drgi (rys. 9b), w którym za pośrednictwem rezystora zyskje się jemne sprzężenie zwrotne. dzięki tem wrażliwość wzmacniacza na temperatrowe zmiany parametrów wzmacniacza jest mniejsza. Na przykład, jeżeli wsktek zmiany temperatry wzrasta wartość, to maleje napięcie E E E ( E = E - ), co pociąga za sobą zmniejszenie prąd ( = ), a to z kolei prowadzi do zmniejszenia prąd ( β ). Tak więc sktek oddziałje tłmiąco na przyczynę. Jest to cechą charakterystyczną jemnego sprzężenia zwrotnego. Najpowszechniej stosowany kład trzeci (rys. 9c) zawiera dzielnik napięcia zbdowany z rezystorów 1, 2 zapewniający określony prąd, oraz elementy E, E, dzięki którym realizowane jest jemne sprzężenie zwrotne dla składowych stałych. Przez kondensator E o dżej pojemności płynie składowa zmienna prąd emitera, natomiast składowa stała tego prąd w rezystorze E wywołje zależność prąd bazy od prąd kolektora. Przykładowo, jeżeli ze wzrostem temperatry wzrasta prąd, to rośnie również prąd E a więc i spadek napięcia E E. Powodje to zmniejszenie napięcia E a więc i prąd (charakterystyka na rys. 4a). Ponieważ β, zmniejszenie prąd pociąga za sobą zmniejszenie prąd, czyli dochodzi do tłmienia pierwotnej zmiany prąd kolektora. W ten sposób osiąga się stabilizację pnkt pracy wzmacniacza Wzmacniacz w kładzie (wtórnik emiterowy). 9

10 Schemat kład prostego wzmacniacza przedstawiono na rys. 1. Dzięki rezystorowi E realizowane jest silne jemne sprzężenie zwrotne zarówno dla składowej stałej jak i zmiennej prąd emitera. ys. 1 Wtórnik emiterowy. Wzmacniacz ten charakteryzje się współczynnikiem wzmocnienia napięcia bliskim jedności ( 2 1 ) - stąd nazwa wtórnik emiterowy, dżą rezystancją wejściową i małą wyjściową. Wzmocnienie prądowe jest równe w przybliżeni β. W związk z tym wtórniki stosje się jako kłady dopasowjące np. przy pomiarze napięć źródeł bardzo małej mocy, np. termoelement. W przeciwieństwie do wzmacniacza E wtórnik emiterowy nie odwraca fazy napięcia wejściowego. 1