Podstawowe konstrukcje tranzystorów bipolarnych

Transkrypt

1 Tanzystoy

2 Podstawowe konstukcje tanzystoów bipolanych Zjawiska fizyczne występujące w tanzystoach bipolanych, a w związku z tym właściwości elektyczne tych tanzystoów, zaleŝą od ich konstukcji i technologii wykonania. Analiza wielu zjawisk, a szczególnie zjawisk o chaakteze dwuwymiaowym, wymaga więc odniesienia do konketnej konstukcji tanzystoa. Niemal wszystkie współczesne tanzystoy bipolane wytwaza się technologią epiplananą. Na następnym ys.1 pzedstawiono pzekoje typowych stuktu tanzystoów wytwozonych technologią epiplananą: tanzystoa dysketnego (ys.1a) oaz monolitycznego, tj. wykonanego w układzie scalonym (ys. 1b). Mimo pewnych widocznych óŝnic między budową obu tanzystoów, mają one identyczną podstawową stuktuę n+ -p-n-n+, odpowiadającą wycinkowi zeczywistej stuktuy tanzystoa, wykonanemu w kieunku postopadłym do powiezchni płytki. Stuktua jednowymiaowa n+ -p-n-n+ (ys. 1c), taktowana w uposzczeniu jako stuktua n-p-n (ys.1d), stanowi podstawę modeli uposzczonych, tj. takiego opisu działania tanzystoa, w któym uwzględnia się tanspot nośników tylko w kieunku postopadłym do powiezchni płytki. W zeczywistości pądy płyną ównieŝ pzez powiezchnie boczne złączy; w szczególności w tanzystoze monolitycznym, ze względu na połoŝenie wszystkich elektod na jednej powiezchni płytki, pądy płyną w kieunku ównoległym do powiezchni płytki. Dlatego w analizie niektóych właściwości tanzystoa bipolanego tzeba uwzględniać zjawiska dwuwymiaowe. K.M.Gawylczyk 2

3 Podstawowe konstukcje tanzystoów bipolanych K.M.Gawylczyk 3

4 Podstawowe konstukcje tanzystoów bipolanych Podstawowe znaczenie dla sposobu działania tanzystoa ma ozkład koncentacji domieszek, któy dla obu ozwaŝanych odzajów tanzystoów, w pzybliŝeniu jednowymiaowym, ma kształt pokazany na ys. 2. K.M.Gawylczyk 4

5 Zakesy pacy i układy pacy tanzystoów w bipolanych Podstawowa teminologia oaz zasady znakowania pądów i napięć, stosowanych w dalszych ozwaŝaniach. Istnieją cztey kombinacje polayzacji złączy E-B, B-C; a więc moŝna mówić o czteech zakesach pacy tanzystoa - zakes aktywny nomalny; - zakes nasycenia; - zakes zatkania; - zakes aktywny inwesyjny. K.M.Gawylczyk 5

6 Zakesy pacy i układy pacy tanzystoów w bipolanych Dla uposzczenia zakes aktywny nomalny będziemy ównieŝ nazywać zakesem nomalnym, a zakes aktywny inwesyjny - zakesem inwesyjnym. Tanzysto, tj. element tójkońcówkowy, włączony jako czwónik, moŝe pacować w jednym z tzech układów: - układ ze wspólną bazą (WB) - wejście E, B; wyjście B, C; - układ ze wspólnym emiteem (WE) - wejście B, E; wyjście E, C; - układ ze wspólnym kolektoem (WC) - wejście B, C; wyjście C, E. K.M.Gawylczyk 6

7 Zakesy pacy i układy pacy tanzystoów w bipolanych Pzyjmujemy następujący sposób znakowania pądów i napięć: pądy wpływające do tanzystoa, mają znak dodatni, a napięcia polayzujące złącza E-B, B-C mają znak dodatni pzy pacy złączy w kieunku pzewodzenia. PoniewaŜ U xy =U x -U y, więc np. dla tanzystoa n-p-n pacującego w zakesie aktywnym nomalnym: UBE > 0, UBC < 0, pądy zaś: IE < 0, IC > 0, IB> 0. Odpowiednio dla tanzystoa p-n-p pacującego w zakesie aktywnym nomalnym: UEB>O, UCB<0 oaz IE>0, IC<0, IB<0. Wszystkie ozwaŝania podane tutaj, odnoszą się bezpośednio do tanzystoa n-p-n, chociaŝ w sensie ogólnym są one słuszne ównieŝ dla tanzystoa p-n-p. Poszczególne modele, wyaŝenia analityczne itp. moŝna z łatwością odnieść do tanzystoa p-n-p po odpowiednich zmianach fomalnych dotyczących znaków pądów, napięć i odzaju nośników. K.M.Gawylczyk 7

8 Modele fomalne tanzystoów Tanzysto w dowolnym układzie włączenia moŝna pzedstawić pzy pacy małosygnałowej jako czwónik liniowy, któego właściwości są opisane zaleŝnościami liniowymi pądów i napięć wejściowych i wyjściowych. Spośód sześciu moŝliwych pa ównań czwónika istotne znaczenie paktyczne mają tzy pay ównań: u = z i + z i u = z i + z i i = y u + y u i = y u + y u u = h i + h u i = h i + h u K.M.Gawylczyk 8

9 Modele fomalne tanzystoów K.M.Gawylczyk 9

10 Modele fomalne tanzystoów K.M.Gawylczyk 10

11 Model tanzystoa w.cz. K.M.Gawylczyk 11

12 Chaakteystyki tanzystoów w bipolanych K.M.Gawylczyk 12

13 ezystancja wejściowa BE U BE I I = BE = = B B U const CE Pzy pądach bazy 100µA do 100nA otzymuje się ezystancje wejściowe od 400Ω do 400kΩ. Współczynnik tempeatuowy: U T BE I B =const = mv o C K.M.Gawylczyk 13

14 ezystancja wyjściowa Typowe watości ezystancji wyjściowej to: 10kΩ do 1MΩ. Statyczny B i dynamiczny β współczynnik wzmocnienia pądowego : I I C C B =, β = I B I B U =const CE K.M.Gawylczyk 14

15 Układ ze wspólnym emiteem Wzmocnienie napięciowe k u 2 = = 1 BE 2 C CE 1 BE CE ezystancja wejściowa: = ezystancja wyjściowa: = C β K.M.Gawylczyk 15

16 Analiza układu ze wspólnym emiteem I = β I = u C 2 b B 2 = = β BE ( ) 1 U = U I = I = β C C C C C 1 BE wzmocnienie napięciowe układu wynosi: k β C 1 BE pzy duŝych watościach tzeba uwzględnić. C CE K.M.Gawylczyk 16

17 Analiza układu ze wspólnym emiteem U U du = di + du BE BE BE B CE I B U U CE I CE CE I I di = di + du C C C B CE I B U U CE I du = di + k du BE BE B f CE di = β di + 1 du C B CE CE du h h di BE 11e 12e B = di h h du C 21e 22e CE B B K.M.Gawylczyk 17

18 Układ ze wspólnym emiteem i spzęŝ ęŝeniem napięciowym Wzmocnienie napięciowe: 1 1 k k 1 C CE = +, gdzie: k ' u = β, u u N BE ' N ezystancja wejściowa: 1 = 1 + BE 1, ku k ezystancja wyjściow a: =, gdzie : g =. ' C CE u 2 ' g ku K.M.Gawylczyk 18

19 Układ ze wspólnym emiteem i spzęŝ ęŝeniem zwotnym pądowym Wzmocnienie napięciowe: 1 1 β k E C = +, gdzie: k ' u = u ku C BE ezystancja wejściowa: = + β ' 1 BE E ezystancja wyjściowa: = ' 2 C., CE, K.M.Gawylczyk 19

20 Polayzacja układu ze wspólnym emiteem z dzielnikiem napięciowym Wzmocnienie dyftowe: k D = k U ezystancja wejściowa : = BE JeŜeli I =const., to : C BE mv 2 o C K.M.Gawylczyk 20

21 Polayzacja układu ze wspólnym emiteem stałym pądem bazy I B I B C = IC β 1 U U U = I I b BE b B B W ten sposób nie powstaje dyft tempeatuowy. I BI + BI C B CB0 Dla tanzystoów gemanowych I B I CB0 duŝy dyft. K.M.Gawylczyk 21

22 Polayzacja układu ze wspólnym emiteem ze spzęŝ ęŝeniem zwotnym napięciowym Wzmocnienie dyftowe: k D C = = 1+ N BE 1 Pzy małych ezystancjach, : U N 1 C = 1+ N 1 U BE ezystancja wejściowa: N 1 = BE 1 k u JeŜeli ezystancja źódła nie jest 1, to występuje spzęŝenie zwotne dla napięć zmiennych. ź Watości pojemności zaleŝą od f : f min = 1 2π C 1 1 min (bez uwzględnienia ezystancji źódła). K.M.Gawylczyk 22

23 Polayzacja układu ze wspólnym emiteem ze spzęŝ ęŝeniem zwotnym pądowym Wzmocnienie dyftowe: D C = Wzmocnienie dla pądów zmiennych: jω C 1 1 k k k C E = + + ' u u C u jω E C k BE C E K.M.Gawylczyk 23

24 Układ ze wspólnym kolektoem (wtónik emiteowy) Wzmocnienie napięciowe: du di = = βdi 1 du di k u 2 C B 2 E CE B = du du 1 2 BE du 1 1 d U β 2 BE = = ( ) 1 E CE ezystancja wejściowa: = + β β 1 BE E E ezystancja wyjściowa: BE + g 2g = E 0, g - ezystancjaźód ła. β K.M.Gawylczyk 24

25 Polayzacja układu ze wspólnym kolektoem ezystancja wejściowa : = + β ( ) 1 BE E 1 2 K.M.Gawylczyk 25

26 Zwiększenie ezystancji wejściowej układu ze wspólnym kolektoem Wzmocnienie napięciowe wtónika dla napięć zmiennych: u2 BE = 1 u β ( ) 1 E CE Napięcie na : u BE 3 1 β ( E CE ) ( ) ' 1 E CE 3 3 i3 B E 3 "Zwiększenie" ezystancji : = u β = = u 3 K.M.Gawylczyk 26

27 Wzmocnienie pądowe: Układ ze wspóln lną bazą i C = = α = 2 C C CE C CE C = = = β β 1 B BE BE BE 1 B E C CE 2 C C BE 1 C BE = 1 = + di E β C CE I β I β + 1 Wzmocnienie napięciowe (jak dla WE): k u I ( ) I ezystancja wejściowa: du d I =, di d I, du du = di du 1 1 BE C 1 = β C CE BE β ezystancja wyjściowa: = k E 2 C CE 1 K.M.Gawylczyk 27

28 Polayzacja układu ze wspóln lną bazą Ustalanie punktu pacy za pomocą napięciowego spzęŝenia zwotnego Ustalanie punktu pacy za pomocą pądowego spzęŝenia zwotnego K.M.Gawylczyk 28

29 Wzmocnienie óŝnicowe: Wzmacniacze óŝnicowe k = = = β gdzie: U = U U C CE u BE Wzmocnienie sygnału wspólnego: k us U U + U = = =, gdzie: U = U u E G β k us BE C S S S 2 E 2 Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego: k = ezystancja wejścia óŝnicowego: = = = i11 i12 S S S = = = I11 I12 2 2β BE ezystancja wejścia wspólnego: ezystancja wyjściowa: E = 2 C CE 1 I E Pąd polayzacji wejścia: I B = ( I11 + I12 ) = 2 2B K.M.Gawylczyk 29

30 Wzmacniacze óŝnicowe waianty układ adów K.M.Gawylczyk 30

31 Układy kaskodowe Wzmocnienie napięciowe: k u 2 C = = β1 1 BE1 ezystancja wejściowa: 1 BE1 ezystancja wyjściowa: = = 2 C K.M.Gawylczyk 31

32 Układ Dalingtona Współczynnik wzmocnienia pądowego: ezystancja wejściowa: ezystancja wyjściowa: ' BE ' CE = 2 = BE1 CE2 2 β CE1 2 ' β = β β 1 2 K.M.Gawylczyk 32