TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

Transkrypt

1 TRANZYSTORY POLARN ZŁĄZOW ipolar Junction Transistor - JT Tranzystor bipolarny to odpowiednie połączenie dwóch złącz pn p n p n p n kolektor baza emiter kolektor baza emiter udowa tranzystora w technologii planarnej: Tranzystor miter (n) Kolektor (n) aza (p)

2 NA (947) lamp elektronowych masa: ponad 27 ton, powierzchnia ok. 40 m 2 "Nature abhors the vacuum tube." J.R. Pierce, ell Labs engineer who coined the term 'transistor' 2

3 Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp a) kład niespolaryzowany (brak wymuszonej polaryzacji zewnętrznej) ariera potencjału na złączu emiter-baza i na złączu kolektor-baza dziury z emitera nie przenikają do kolektora, równowaga dynamiczna prądów rekombinacji i generacji kolektor p potencjał F baza n emiter p F b) Zewnętrzne źródło polaryzacji układu emiter-kolektor (baza na potencjale nieustalonym zewnętrznie) Napięcie odkłada się na zaporowo spolaryzowanym złączu baza-kolektor Wysokość bariery potencjału na złączu emiter-baza bez zmian. rak przepływu prądu w obwodzie potencjał F - F Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp c.d. c) Złącze emiter-baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem - ariera potencjału na złączu - maleje, Dziury z emitera dyfundują do bazy, Następnie dziury dyfundują do kolektora, Płynie prąd w gałęzi kolektora (warunek: niewielka rekombinacja dziur w bazie) Napięcie określa wysokość bariery potencjału na złączu -, czyli opór między emiterem i kolektorem TRANSSTOR = TRANSfereable resstor. - potencjał F- F Tranzystor npn działa analogicznie przy odwrotnej polaryzacji; kierunek przepływu prądu jest przeciwny; nośnikami prądu kolektora są elektrony 3

4 prąd kolektora złącze - złącze - kolektor baza emiter prąd emitera = Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym = prąd bazy prąd rekombinacji elektronów w emiterze prąd rekombinacji dziur w bazie Prąd emitera - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombinacyjne: część dziur rekombinuje w bazie elektrony z bazy dyfundują do emitera, gdzie także rekombinują jeśli baza odpowiednio cienka, większość dziur z emitera dociera do złącza - dziury wpływające do kolektora tworzą prąd kolektora Wypływ prądu z bazy do zewnętrznego źródła: równoważy procesy rekombinacyjne utrzymuje wysokość bariery potencjału baza - emiter na stałym poziomie fekt tranzystorowy zachodzi gdy: oba złącza monokrystaliczne dioda (złącze) emiterowa spolaryzowana w kierunku przewodzenia dioda (złącze) kolektorowa spolaryzowana w kierunku zaporowym grubość bazy mała w porównaniu z długością drogi dyfuzji nośników większościowych z emitera ( << mm ) obszar emitera musi zawierać znacznie więcej nośników większościowych niż obszar bazy; prąd płynący od strony emitera razy większy niż prąd od strony bazy potencjał F- F - - 4

5 Zachodzi relacja: oraz prąd jest proporcjonalny do prądu Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora: h 2 zwykle 00, o ile zewnętrzne źródła zezwalają 0.5 A =0 ma harakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora P Prąd kolektora narasta -razy szybciej niż prąd bazy Prąd kolektora słabo zależy od napięcia kolektor-emiter ( ). Wprowadzenie prądu do bazy (wywołanie przepływu prądu kolektora) jest możliwe, gdy napięcie przekroczy napięcie przewodzenia złącza danego typu (0.65 V dla krzemu, 0.35 V dla germanu) WZMANAZ TRANZYSTOROW Wzmacniacz to układ elektroniczny, w którym energia z układu zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego ZASLAN Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego WJŚ JŚ Wzmacniacz tranzystorowy : PROWADZN WSPÓLN specjalny, sterowany dzielnik napięcia zasilającego Jednym z rezystorów w tym dzielniku jest tranzystor 5

6 Trzy podstawowe układy wzmacniające z tranzystorem bipolarnym: zasilanie W R L R L W R L W o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie nne wyspecjalizowane wzmacniacze: są modyfikacjami lub kombinacjami układów podstawowych. zasilanie W RL RL WŁASNOŚ WZMANAZY W RL W o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy kształt sygnału wejściowego (sterującego): u W (t) = W cos(t) W0 podkład stały W0 składowa zmienna harmoniczna o amplitudzie W Sygnał użyteczny (niosący informację): składowa zmienna Zakładamy : tę samą postać napięcia wyjściowego i wejściowego tę samą postać prądu wyjściowego i wejściowego czyli wzmacniacz pracuje w zakresie liniowym 6

7 Przypomnienie: Wzmacniacz o wspólnym emiterze: prąd wejściowy = prąd bazy prąd wyjściowy = prąd kolektora => W duże wzmocnienie prądowe * R L o wspólnym emiterze Dla dużego oporu rezystora R L następuje na nim duży spadek napięcia, a więc: duże wzmocnienie napięciowe duże wzmocnienie mocy zachodzi odwrócenie fazy napięcia wyjściowego względem wejściowego Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (wtórnik emiterowy) = W - W W W czyli: brak wzmocnienia napięciowego prąd wejściowy = prąd bazy prąd wyjściowy = prąd emitera czyli W ( ) o wspólnym kolektorze wzmocnienie prądowe jest duże zgodne fazy sygnału wyjściowego i wejściowego 7

8 Wzmacniacz o wspólnej bazie: prąd wejściowy = prąd emitera: W ( ) prąd wyjściowy = prąd kolektora: wzmocnienie prądowe: W brak wzmocnienia prądowego! o wspólnej bazie przy odpowiednio dużym oporze rezystora R L można uzyskać duże zmiany napięcia na wyjściu czyli możliwe duże wzmocnienie napięciowe napięcie wyjściowe zgodne w fazie z napięciem wejściowym PODSMOWAN N r Wzmacniacz o: WSPÓLNYM MTRZ WSPÓLNYM KOLKTORZ WSPÓLNJ AZ Wzmocnienie napięciowe duże < duże 2 Wzmocnienie prądowe duże duże < 3 Przesunięcie fazowe W Pasmo przenoszenia małe średnie duże 8

9 ZNAZAN PNKT PRAY TRANZYSTORA W. (ustalanie wejściowego prądu składowej stałej) efekt prostowania jednopołówkowego - tranzystor pracuje liniowo tylko wtedy, gdy napięcie przekroczy napięcie przewodzenia złącza (np V) czas uzyskanie wzmacniania pełno-okresowego wymaga dodania stałego podkładu (stały prąd bazy) do wejściowego sygnału zmiennego (zmiennego prądu bazy) W W czas kład automatycznego dodawania podkładu stałego jest układem polaryzacji (określenie punktu pracy tranzystora) Przykład: prąd polaryzacji bazy tranzystora ze źródła zasilania przez opornik R b ustalający składową stałą na wejściu. Kondensatory i 2 służą do odseparowania podkładu stałego od wejścia i wyjścia wzmacniacza (sprzężenie A). W R b R 2 R L 2 układ wspólny emiter STALAN OPTYMALNGO PNKT PRAY TRANZYSTORA graficzna analiza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowania: P MAX =. Przestrzeń punktów pracy (, ) tranzystora jest ograniczona przez /R hiperbolę maksymalnej dopuszczalnej L cieplnej mocy strat tranzystora, PNKT PRAY 0 określonej w katalogu przez producenta: P MAX = * 2. Tranzystor pracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem R L prosta obciążenia -R L przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem: = - R L * (tzw. prosta obciążenia) Napięcie zasilania oraz opór R L dobieramy tak, by prosta obciążenia była styczna do hiperboli mocy (lub przebiegała poniżej) 3. Odczytujemy optymalny prąd stałego podkładu 0, wyznaczamy wartość opornika R b z r-nia : -0.65V= 0 * R b W R b R 2 R L 2 układ wspólny emiter 9

10 PASMO WZMONNA PASMO PRZNOSZNA Pasmo wzmocnienia (przenoszenia) wzmacniacza określone jest przez: własności tranzystora (wielkości pasożytnicze) sposób współdziałania tranzystora z obwodem wzmacniacza podłączenia wejścia i wyjścia wzmacniacza Pasożytnicze elementy tranzystora rzeczywistego: rozproszona rezystancja bazy r bb, pojemności emiter-baza eb i kolektor-baza kb K <> r bb kb K r bb i eb tworzą filtr górnoprzepustowy, który bocznikuje złącze baza-emiter eb zmniejszenie prądu sterującego tranzystor przy wysokich częstościach Skutek: współczynnik wzmocnienia prądowego 00 tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstości Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez częstość graniczną f T: powyżej częstości f T współczynnik wzmocnienia prądowego < 0 częstość graniczna tranzystora : (f T )= częstość f T 0

11 fekt Millera Sprzężenie między kolektorem a bazą w postaci filtra górnoprzepustowego tworzonego przez: kb, r bb oraz rezystancję źródła sygnału R G ograniczenie pasma przenoszenia wzmacniacza w układzie o wspólnym emiterze sygnały wyjściowe i wejściowe są przeciwne w fazie R G źródło sygnału ujemne sprzężenie zwrotne wyjścia (kolektor) z wejściem (baza) W układzie o wspólnym kolektorze słaby wpływ efektu Millera, gdyż kolektor tranzystora jest połączony z niskorezystywnym źródłem zasilania kb r bb wzmacniacz W układzie o wspólnej bazie nie ma oddziaływania wyjścia wzmacniacza na wejście przez pojemność kb, gdyż baza ma ustalony potencjał. Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtra: wy we k0 k( ) j 2 W MAX / g dla częstości granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze: maksymalnego 2 Pasmo przenoszenia g zęstość nstrukcja do ćwiczenia Tranzystor bipolarny wzmacniacz tranzystorowy zęść Napięcie z generatora: sygnał liniowo narastający od 0V do 5 V i częstości około 000 Hz (sygnał trójkątny) Zbudować obwód: Napięcie W : stałe napięcie z zasilacza regulowane w zakresie od 0 do 0 V mierzymy za pomocą woltomierza R L W 0.65V R wyznaczyć charakterystyki ( ); parametr: prąd bazy wykreślić rodzinę charakterystyk tranzystora. = 0.5 A =0 ma

12 zęść Zbudować wzmacniacz w układzie wspólny emiter : zasilić układu napięciem stałym =8 V zmierzyć za pomocą woltomierza napięcie kolektora dobrać wartość opornika regulowanego R by = 4 V optymalny punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu W zmienny sygnał sterujący bazą napięcie na kolektorze Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza ( W ) Wejście układu: sygnał sinusoidalny o częstości około 000 Hz Mierzymy ( W ) w całym zakresie mierzalnych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud W, dla których wzmacniacz pracuje liniowo. Dla tego zakresu wyznaczamy wzmocnienie wzmacniacza k, dopasowując do danych doświadczalnych prostą typu =k * W Wyznaczenie charakterystyki częstościowej wzmacniacza: wzmocnienie w funkcji częstości: k () Amplitudę sygnału wejściowego należy dobierać tak, by w całym zakresie badanych częstości (0 Hz - MHz) sygnał był przetwarzany liniowo ANALZA Wyznaczyć częstości graniczne kład różniczkujący kład całkujący W j g j g Pojemność i rezystancja wejściowa wzmacniacza wzmocnienie k 2 -/2 k max wpływ sprzężenia wpływ tranzystora kład całkujący W j g 2 Pojemność i rezystancja wyjścia g pasmo g2 częstość Filtr górno- dolno-przepustowy: g R 2

13 TRANZYSTORY POLOW TRANZYSTORY POLOW ZŁĄZOW (Junction Field ffect Transistors) Rezystancja wejściowa (GAT SOR) tranzystora sięga 0 9 TRANZYSTORY POLOW Z ZOLOWANĄ RAMKĄ solated Gate Field ffect Transistors Metal Oxide Semiconductor Field ffect Transistors (MOSFT) Opór bramki względem podłoża sięga tranzystory MOSFT w wersjach: wstępnie otwarty lub wstępnie zamknięty 3