ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKAEMA ÓRNCZO-HTNCZA M. TANŁAWA TAZCA W KRAKOWE Wydział formatyki, Elektroiki i Telekomuikacji Katedra Elektroiki ELEMENTY ELEKTRONCZNE dr iż. iotr ziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr iż. reeusz Brzozowski paw. C-3, pokój 51; tel , ireeusz.brzozowski@agh.edu.pl ELEMENTY WZMACNAJĄCE TRANZYTORY OLOWE ZŁĄCZOWE JFET TRANZYTORY OLOWE Z ZOLOWANĄ BRAMKĄ MO TRANZYTORY BOLARNE E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze elemety wzmaciające 1

2 ZAAY WZMACNANA Trazystory mogą spełiać w układach elektroiczych wiele różych fukcji, ale wzmaciaie staowi jego główą cechę użytkową. W układzie wzmaciacza trazystor przekształca słabe i zmiee w czasie sygały a sygały dużej mocy. Trazystorowy człowiek aul Horowitz ztuka Elektroiki E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze elemety wzmaciające 3 TRANZYTORY ZŁĄCZOWE JFET (JNCTON FEL EFFECT TRANTOR) E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 4

3 OTAWY ZAŁANA W trazystorach JFET prąd przeoszoy jest przez ośiki większościowe. rzy =cost., w jaki sposób możemy zmieiać prąd? Jak uzyskać sterowaie wartości przepływającego prądu? E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 5 OTAWY ZAŁANA rzy =cost., w jaki sposób możemy zmieiać prąd? rzez zmiaę pola powierzchi przekroju przewodika. Jak to uzyskać? rzez pocieiaie przewodika E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 6 3

4 OTAWY ZAŁANA Takie dziwe złącze p + - p + E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 7 OTAWY ZAŁANA p + olaryzacja zaporowa tego złącza p + - p + W złączu spolaryzowaym zaporowo, wraz ze wzrostem apięcia powiększa się obszar zubożoy, a w kosekwecji maleje pole powierzchi przekroju półprzewodika, który wzdłuż osi walca może być kaałem dla przepływu prądu jest pocieiaie przewodika E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 8 4

5 OTAWY ZAŁANA p + x x = x E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 9 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożoych w kaale złączowego trazystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x zakres liiowy E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 1 5

6 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożoych w kaale złączowego trazystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x x w pobliżu zamkięcia kaału x E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 11 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożoych w kaale złączowego trazystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x powyżej zamkięcia kaału o zaciśięciu kaału prąd ulega asyceiu. Różiczkowa rezystacja kaału d/d staje się bardzo duża. E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 1 6

7 WŁYW JEMNEJ OLARYZACJ BRAMK = =- =-4 E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 13 WYZNACZANE NAĘCA ROOWEO Wyzaczamy szerokość warstwy zubożoej dla x=, (zakładamy pomijalie mały potecjał kotaktowy oraz z uwagi a kocetracje domieszek rozszerzaie się obszaru zubożoego główie w kaale): a W h L x 1 W x qn Zaciśięcie kaału przy dreie wystąpi gdy: x a Wx h Czyli W(x=) = a. Jeżeli zdefiiujemy apięcie progowe, jako apięcie przy zamykaiu kaału, to: 1 a qn qa N E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 14 7

8 z y x WYZNACZANE RĄ REN a W h L x dx L Różiczkowa objętość części obojętej kaału: E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 15 x Z h( x) dx Rezystacja objętości jedostkowej: dx Zh( x) ( - rezystywość kaału, Z grubość kaału) rąd ie zmieia się wzdłuż kaału i jest związay z różiczkowym spadkiem apięcia d x a elemetarej objętości (więc z prawa Ohma): Zh( x) d dx zerokość h(x) w pukcie x zależy od lokalej polaryzacji zaporowej bramki i kaału x x x WYZNACZANE RĄ REN zerokość h(x) w pukcie x zależy od lokalej polaryzacji zaporowej bramki i kaału: x, zatem: h( x) a W ( x) a qn o podstawieiu do wzoru a prąd, otrzymujemy: o operacji całkowaia dostajemy: x 1 x a 1 Wykorzystaliśmy zależości: Za x d dx x gdzie x 1 x qa N az jest koduktacją kaału L owyższe rówaie jest słusze do osiągięcia stau zaciśięcia kaału, kiedy = Wyprowadzeia przedstawioo a podstawie: rzyrządy półprzewodikowe, Be. treetma E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 16 8

9 WYZNACZANE RĄ REN rzy założeiu, że prąd asyceia pozostaje rówy wartości osiągiętej przy zaciśięciu kaału otrzymujemy: la małych apięć <, prąd dreu jest liiową fukcją w liiowym zakresie pracy trazystora: 1 la apięć >, trazystor pracuje w zakresie asyceia: 1 E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 17 RZECZYWTE CHARAKTERYTYK RĄ REN i zakres liiowy u = u zakres asyceia u = zakres przebicia u = u 1/λ u 1 1 u - prąd dreu w zakresie asyceia przy uwzględieiu skróceia kaału - współczyik modulacji długości kaału: opisuje skróceie kaału pod wpływem apięcia i spowodoway tym wzrost prądu dreu E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 18 9

10 MOEL WELKOYNAŁOWY r C r C 1 1 E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 19 ROZAJE RZEWONCTWA Trazystor z kaałem typu i u u i i u = u u = u u = u E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 1

11 ROZAJE RZEWONCTWA Trazystor z kaałem typu p i + p u u i i u u u = u = u = u E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 1 RZYKŁA W trazystorze JFET z kaałem typu zmierzoo prąd =1mA dla apięcia =V i = 5V, atomiast dla = V zaotowao prąd cztery razy miejszy. le wyosi i dla tego trazystora? i i u = u u = Bez efektu skróceia kaału (=) u u = u 1 1 Który wzór? To zależy od zakresu pracy trazystora. Trzeba sprawdzić waruek. Na początek założymy zakres asyceia. Obliczamy zyskujemy wyik: = 4 V prawdzamy waruek: u = u Wychodzi, że E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze - trazystor JFET 11

12 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY R C1 we u we R C wy u wy ukt pracy trazystora pukt a ch-ce wyjściowej o współrzędych (, ) Charakterystyka wyjściowa Rówaie dla oczka wyjściowego: R po przekształceiu ( =f( )): 1 R R [ma] 1 5 =V =-,5V =-1V =-1,5V =-V [V] E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: wzmaciacz 3 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY WZMACNANE [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: wzmaciacz 4 1

13 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY RZETEROWANE [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy R C wy E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: wzmaciacz 5 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY O ANALTYCZNY rąd dreu w asyceiu to: u 1 (pomijając skróceie kaału dla uproszczeia) (1) i składowa stała Całkowite apięcie a bramce (t): u u () u u podstawiając () do (1): i u u (3) składowa stała składowa zmiea i d la odpowiedio małych amplitud apięcia wejściowego (u we = u ) moża dokoać liearyzacji ch-k trazystora pomiąć składiki ieliiowe, ale przy jakich warukach? Mówimy wtedy o aalizie małosygałowej i modelu liiowym trazystora. Waruek małosygałowości apięcia wejściowego wyika z takiego doboru u we, aby drugi czło składowej zmieej był pomijalie mały (pamiętając, że u we = u ): u u u (4) 1 po przekształceiach: (5) u waruek małosygałowości E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: wzmaciacz 6 składowa zmiea 13

14 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY O ANALTYCZNY c.d. Zatem, uwzględiając waruek małosygałowości moża całkowity prąd dreu zapisać jako liiową fukcję u : i u (6) 1 Waruek małosygałowości pozwala a pomiięcie składowej zależej od u. ozostaje tylko składowa zmiea proporcjoala do apięcia u zatem słusze jest mówieie o liearyzacji charakterystyk i modelu liiowym trazystora. Jeśli w rówaiu (6) współczyik proporcjoalości przy u azwiemy przez g m to prąd drey moża zapisać jako: i gmu (7) Współczyik g m ma wymiar [A/V] i zależy od puktu pracy trazystora oraz jego własości fizyczych reprezetowaych przez i. arametr g m to traskoduktacja: gm 1 (8) Rozważao tu traskoduktację dla zakresu asyceia, w takim zakresie pracuje trazystor we wzmaciaczu. Czytelik sam przeaalizuje przypadek pracy trazystora w zakresie liiowym korzystając z podaej dalej defiicji traskoduktacji. E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: wzmaciacz 7 ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz.1 Traskoduktacja (z def.): g m cost. [A/V] terpretacja graficza Nachyleie styczej do ch-ki przejściowej w pukcie pracy trazystora. CH-KA RZEJŚCOWA =cost. 1 [ma] Traskoduktacja opisuje własości wzmaciające trazystora 5-3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] pukt pracy E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 8 14

15 JAKO RELOWANY REZYTOR reguloway dzielik sygałów zmieych dzielik: u ds u we R R1 C1 we ' R R1 R1 u ds u we u ds obowiązuje przy R >> R R 1 uwe uds R E+EiT 17 r. &B ' R ' R Czy: R = R? a, może: R = rds? Elemety elektroicze trazystor JFET: reguloway rezystor 9 JAKO RELOWANY REZYTOR Rezystacja: statycza R dyamicza u rds ds i ds R R1 we C1 R 1 R uds uwe [ma] R = 6V/8,mA R = 731 lub iaczej (z def.): rds =V 1 (, )=(6V; 8,mA) =-,5V =-1V bardzo małe achyleie 5 =-1,5V =-V rds - bardzo duże Charakterystyka wyjściowa E+EiT 17 r. &B [V] Elemety elektroicze trazystor JFET: reguloway rezystor 3 15

16 JAKO RELOWANY REZYTOR R R1 we C1 [ma] =V 1 R R u ds u we 1 =-,5V Rezystacja: statycza R dyamicza uds rds i lub iaczej: rds ds R = 1V/6,5mA R = 154 r ds = 1V/5,5mA r ds = 181 W zakresie liiowym: R R W zakresie asyceia: R = r ds 4 6 E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET: reguloway rezystor 31 5 (, )=(1V; 6,5mA) =-1V =-1,5V =-V [V] : JFET - reguloway rezystor : JFET - wzmaciacz ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz. Traskoduktacja (omówioa wcześiej) Koduktacja wyjściowa (dreu) z def. g ds cost. Rezystacje szeregowe źródła i dreu (r dd i r ss ) (często pomijae a schematach ze względu a b. mały wpływ) ojemości bramka-dre C gd i bramka-źródło C WAA: koduktacje są opisae różymi zależościami i mają róże wartości w zakresie liiowym i asyceia E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 3 16

17 CHEMAT MAŁOYNAŁOWY C gd u C u g m g ds E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 33 ORANCZENA CZĘTOTLWOŚCOWE Częstotliwość odcięcia f T To taka częstotliwość, przy której prąd wejściowy rówa się prądowi źródła sterowaego z modelu małosygałowego, przy zwartym wyjściu. u i we C Cgd gm gds rzy zwartym wyjściu prąd wejściowy: i j( C C ) u we rzy częstotliwości odcięcia f T moduł prądu wejściowego ma być rówa modułowi prądu źródła sterowaego, zatem: i ( C C ) g Ostateczie: f T we T T f ( C gm ( C Cgd) C gd gd gd ) g m m E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 34 17

18 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadaie: obliczyć wzmocieie układu z rysuku poiżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. R CH-KA RZEJŚCOWA [ma] R C C ,5 - -1,5-1 -,5 [V] = 1mA = -3V E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze - trazystor JFET 35 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadaie: obliczyć wzmocieie układu z rysuku poiżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. R R C = 1mA = -3V C1 =V 1 =-,5V Czy trazystor pracuje w zakresie asyceia? > Rówaie dla oczka wyjściowego: R po przekształceiu: 1 R R i podstawieiu daych: 1 1 [ma] [V] la podaych daych jeśli: > (-1V)-(-3V), czyli >, to trazystor pracuje w asyceiu. Te waruek jest spełioy trazystor pracuje w asyceiu E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze - trazystor JFET ,7V =-1V =-1,5V =-V 18

19 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadaie: obliczyć wzmocieie układu z rysuku poiżej, jeśli =1V a R =1k i =1V. R R C Trazystor zastępujemy schematem (modelem) małosygałowym dla małych częstotliwości moża pomiąć pojemości C1 gm gds R R R C R C C1 C1 gm gds E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 37 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadaie: obliczyć wzmocieie układu z rysuku poiżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. oprzedi schemat przerysowao poiżej: R R C WY C 1 trazystor g m g ds dla sygałów zmieych zwieramy pojemości oraz źródła apięcia stałego (ich R wew = ) E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze - trazystor JFET 38 19

20 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadaie: obliczyć wzmocieie układu z rysuku poiżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. o usuięciu iepotrzebych elemetów i poowym przerysowaiu: R trazystor R WY gm gds Wzmocieie u we R g m g ds R u wy apięciowe u ku u wy we ozostaje już tylko wyliczeie apięć wej. i wyj., ale po kursie teorii obwodów, potrafi to każdy studet. E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze trazystor JFET 39 odsumowaie Trazystor JFET uipolary tylko ośiki większościowe terowaie wartością prądu dreu (i ) przez zmiaę koduktacji kaału wymiary (pole przekroju poprzeczego) Zmiaa koduktacji kaału astępuje pod wpływem apięcia wejściowego (u ) Trazystor JFET to specjalie spreparowae złącze p + - Złącze to musi być spolaryzowae zaporowo le wyosi prąd wejściowy ( )? Jak wygląda ch-ka wejściowa =f( )? E+EiT 17 r. &B Elemety elektroicze - trazystor JFET 4