Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

Transkrypt

1 lementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

2 Wprowadzenie Złacze PN spolaryzowane zaporowo: P N U - + S S U SAT = V U S q D p L p p n D n n L n p gdzie: D p,n współczynniki dyfuzji dziur i elektronów L p,n drogi dyfuzji dziur i elektronów p n,n p koncentracje nośników mniejszościowych

3 Wprowadzenie Wartość prądu nasycenia: - nie zależy od przyłożonego napięcia (źródło prądowe) - zależy od poziomu nośników mniejszościowych w poszczególnych obszarach (sterowane) Np.: zmieniając liczbę elektronów w obszarze P : S4 n p4 S3 S2 S1 n p3 n p2 n p1 U

4 Wprowadzenie Jak kontrolować liczbę (koncentrację) elektronów (nośników mniejszościowych)????? Dodatkowe elektrony P N U - + S

5 Wprowadzenie Sposoby zmiany koncentracji nośników: - doprowadzenie energii z zewnąrz np.: promieniowanie świetlne, Rentgenowskie itp. - wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) wprowadzanie prądowe

6 Wprowadzenie

7 Wprowadzenie

8 Tranzystor bipolarny - charakterystyki Tranzystor traktujemy jako czwórnik o czterech parametrach:: W WY Wyznaczamy charakterystyki: U U W W WY WY f f f f W U WY U WY WY W U WY const U WY const W const const U W - wejściowe - zwrotne napięciowe - przejściowe prądowe - wyjściowe U WY

9 Tranzystor bipolarny - charakterystyki O

10 Tranzystor bipolarny - prądy zerowe

11 Tranzystor bipolarny parametry graniczne

12 Tranzystor bipolarny dopuszczalny obszar pracy

13 Tranzystor bipolarny dopuszczalny obszar pracy Przykładowy tranzystor przełączający wysokonapięciowy

14 Tranzystor bipolarny właściwości termiczne

15 Tranzystor bipolarny właściwości termiczne

16 Tranzystor bipolarny właściwości termiczne przy pracy impulsowej

17 Tranzystor bipolarny budowa

18 Tranzystor bipolarny budowa

19 Tranzystor bipolarny budowa

20 Przykładowy model pasmowy - tranzystor PNP

21 Tranzystory podział ze względu na budowę bazy Tranzystory: -z jednorodną bazą z równomiernym rozkładem domieszek w bazie - z niejednorodną bazą rozkład domieszek wytwarza dodatkowe pole elektryczne przyspieszające transport nośników mniejszościowych przez bazę do kolektora (szybsze działanie przyrządu)

22 Tranzystory parametry Strumień elektronów wstrzykiwanych z emitera do bazy prawie w całości przelatuje do kolektora. Niewielka część wstrzykniętych elektronów rekombinuje w obszarze bazy. Powoduje to wypłynięcie odpowiedającej im liczby elektronów z bazy od obwodu zewnętrznego. Bilans prądów: Tranzystor jest tym lepszy im wartość zbliża się do wartośći. Współczynniki wzmocnienia prądowego (zwarciowe): lub 0 B lub 0 B B

23 Tranzystory parametry

24 Tranzystory parametry Zależności pomiędzy współczynnikami: 1 1 Wpływ prądu zerowego 0 prądu nośników mniejszościowych powstających w warstwie zaporowej złącza. Powstała para dziuraelektron jest wymiatana z warstwy zaporowej: dziura do bazy, elektron do kolektora B B 0 0

25 Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Model dla pracy normalnej i inwersyjnej F R S S U exp T B U exp T B 1 1 Duże różnice we wsp. wzmocnień prądowych: normalnym N ( N ) i inwersyjnym ( ), np. dla B107A: N N 1 1 N N

26 Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Model słuszny dla pracy normalnej Przekształcony model bersa Mola (dogodny do obliczeń) F N F B F N F 1 N N 0 F B U B BS exp 1 T 0 B

27 Statyczny nieliniowy model bersa - Molla exp 1 exp S S N BS T B BS T B S N B N N F N B B F N U U Zachodzące zależności:

28 Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Rezystancja rozproszona bazy Rezystancja rozproszona bazy r bb Wynika ze skończonej konduktywności obszaru bazy. Wprowadza dodatkową polaryzację złacza baza-emiter w kierunku przewodzenia (poprzez 0 ), co powoduje przypływ prądu emitera nawet przy braku polaryzacji złącza baza-emiter. Ma również znaczenie przy analizie właściwości szumowych tranzystora dla w. cz.

29 Parametry statyczne Najważniejsze parametry statyczne tranzystorów: - moc admisyjna P max (hiperbola mocy) - prąd maksymalny cmax - prąd zerowy 0 - maksymalne napięcie U max - napięcie nasycenia U sat - współczynnik wzmocnienia prądowego 0

30 Napięcie arly ego U 1 U exp B 1 N S U Y T

31 Statyczny nieliniowy model bersa Molla Zastosowanie Statyczny, nieliniowy model bersa Molla wykorzystywany jest do: - analizy stałoprądowej układów tranzystorowych: obliczania parametrów układów polaryzacji - analizy stabilności temperaturowej układów tranzystorowych Bardzo często w/w model linearyzuje się w celu uproszczenia obliczeń!!!

32 Statyczny liniowy model bersa Molla Linearyzowany model bersa - Molla

33 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego Zlinearyzowany model bersa Molla dogodny do analizy wpływu temperatury na parametry tranzystora bipolarnego

34 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego U B T U T ct 1 B 0 1 T0 c = 2mV/ 0 (zmienne od 1.5 do 2.5 mv/ 0 )

35 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego T T T T może się zmieniać w zakresie / 0

36 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego T exp T b 1 0 T T b = 14 0

37 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego

38 Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy

39 Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy

40 Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy

41 Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy

42 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy Układ z wymuszonym prądem bazy Układ z wymuszonym prądem bazy i sprzężeniem emiterowym

43 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R BQ R B Q U Q U BQ B = R

44 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R R Q Q B R B BQ R B U B ( B ) B U Q U BQ B U Q B R B R Który model tranzystora zastosować?

45 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R Q BQ R B U Q U BQ B (+1) 0 B R A może zastosować taki model??????

46 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy Punkt pracy tranzystora w układzie: U Q Q U R R B Q BQ R R B B 1 1 R R R Układ bez sprzężenia emiterowego R = 0: Q U R 1 B BQ R B B 0 Nie badam wpływu temperatury 0 = 0: Q R B B U BQ 1R U Q Q R U Q Q R 1 R

47 Statyczna prosta pracy Zakładając = co obowiązuje dla dużych, pomijając wpływ 0 : B U BQ Q R R U Q B Przekształcając drugie równanie do postaci (y = ax +b): Q R R U R R R R Otrzymuje tzw. równanie prostej pracy statycznej

48 Statyczna prosta pracy

49 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z zasilaniem potencjometrycznym 3 R R R R4 Układ zasilania bazy zastępujemy źródłem napięciowym zgodnie z tw. Thevenina: Analiza taka jak poprzedniego układu B R 1 R 2 R 2 R B R1R 2 R R 1 2

50 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Układ ze sprzężeniem kolektorowym Układ ze sprzężeniem kolektorowym i sprzężeniem emiterowym

51 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym R B R U BQ BQ B Q (+1) 0 U Q R R R U R 0 B B B B

52 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Punkt pracy tranzystora w układzie: B B BQ Q R R R R R R U Q Q R R U 1 0 Nie badam wpływu temperatury 0 = 0: Układ bez sprzężenia emiterowego R = 0: B B BQ Q R R R R U Q Q R U 1 0 B BQ Q R R R U 1 Q Q R R U 1

53 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Zakładając = co obowiązuje dla dużych, pomijając wpływ 0 otrzymujemy równania: U Takie same BQ Q jak dla RB R poprzednich U R R układów Q Przekształcając drugie równanie do postaci (y = ax +b): Q U R R R R Otrzymuje tzw. równanie prostej pracy statycznej

54 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze stałym prądem emitera B Analizujemy tak jak układ z wymuszonym prądem bazy

55 Współczynniki stabilizacji

56 Współczynniki stabilizacji

57 Współczynniki stabilizacji Dla układów ze stałym prądem bazy, zasilaniem potencjometryczny m i stałym prądem emitera

58 Współczynniki stabilizacji

59 Współczynniki stabilizacji

60 Współczynniki stabilizacji

61 Układy zasilania tranzystorów z elementami nieliniowymi Układ kompensujący zmiany U B

62 Układy zasilania tranzystorów z elementami nieliniowymi Układ kompensujący zmiany U B i zmiany 0

63 Dynamiczny nieliniowy model bersa - Molla F S U exp T B 1 je jc U je0 1 U U jc0 1 U B D B D m m R de dc S U exp T N T T F R B 1 S S m = 1/2 dla złącza skokowego, 1/3 dla liniowego

64 Dynamiczny nieliniowy model bersa - Molla B jc je de U B ( B ) B

65 Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora

66 Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora Współczynnik przesterowania przy włączeniu tranzystora: zas opóźnienia: gdzie: zas narastania: gdzie: det n t d k F b R t W n W BF BG BF M ln F je F U jc kf n ln k 1 F R BP

67 Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora zas przeciągania: t s ln s kf k R k 1 Współczynnik przesterowania zwrotnego: zas opadania: zas bierny: t 0 k BR R t n R BR M U BP R B t 2. 3R b R R kr 1 ln k b W

68 Dynamiczny liniowy model tranzystora Zastąpienie w modelu bersa Molla napięć i prądów stałych niewielkimi ich przyrostami. Powstaje model małosygnałowy. B 1 1 N F N F N S N S U exp T B U exp T 1 B 1

69 Dynamiczny liniowy model tranzystora d du U 2 U 2 d B du B B U B 1 U U 1 U g g U 1 U 1 g g 12 U 22 2 U 2

70 Dynamiczny liniowy model tranzystora

71 Dynamiczny liniowy model tranzystora Do wyznaczenia elementu g 22 skorzystamy z zależności: g 22 N U Y S U Y U 1 U exp B 1 N S U Y T

72 Dynamiczny liniowy model tranzystora W ten sposób powstał małosygnałowy model o schemacie:

73 B Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p Na podstawie tego modelu tworzymy podstawowy małosygnałowy model tranzystora, tzw. model hybryd p (Giacoletto): r B' g m U B' r r B' g r m 1 g 11 g 21 g 22 U T Q T Q Y Q

74 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p Model pełny z uwzględnieniem pojemności i rezystancji rozproszenia bazy: B r bb' B' c B' c B' r B' g m U B' r c B' U c B' 0 1 U B D m c B' 2 pf Q T T g m T

75 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p częstotliwości graniczne tranzystora

76 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p częstotliwości graniczne tranzystora

77 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd Zastosowania: - analiza układów tranzystorowych dla sygnałów zmiennych - wyznaczanie parametrów roboczych - wyznaczanie zakresu częstotliwości pracy układów Przykład np. Ku dla O

78 Szumy tranzystora bipolarnego

79 Szumy tranzystora bipolarnego

80 Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

81 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd dla OB

82 Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd dla O

83 Porównanie parametrów roboczych dla rówżnych kofiguracji pracy tranzystora

84 nne modele tranzystora macierz h

85 nne modele tranzystora macierz y

86 Tranzystory bipolarne przykładowe parametry

87 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona

88 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona

89 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona

90 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model hybryd p

91 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model małosygnałowy

92 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model małosygnałowy

93 Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model szumowy