TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

Transkrypt

1 TANZYSTOY BPOLAN ZŁĄCZOW Bipolar Juctio Trasistor - BJT Trazystor bipolary to odpowiedie połączeie dwóch złącz p: p p p kolektor baza emiter kolektor baza emiter Budowa trazystora w techologii plaarej: PZYKŁAD STKTY TANZYSTOA PLANANGO Trazystor miter () Kolektor () Baza (p)

2 NAC (947) 8 lamp elektroowych masa: poad 7 to, powierzchia ok. 4 m "Nature abhors the vacuum tube." J.. Pierce, Bell Labs egieer who coied the term 'trasistor'

3 Działaie trazystora bipolarego złączowego pp a) kład iespolaryzoway (brak wymuszoej polaryzacji zewętrzej) Bariera potecjału a złączu emiter-baza i a złączu kolektor-baza dziury z emitera ie przeikają do kolektora, rówowaga dyamicza prądów rekombiacji i geeracji kolektor p potecjał Φ baza emiter p Φ b) Zewętrze źródło polaryzacji układu emiter-kolektor (baza a potecjale ieustaloym zewętrzie) Napięcie C odkłada się a zaporowo spolaryzowaym złączu baza-kolektor Wysokość bariery potecjału a złączu emiter-baza bez zmia. Brak przepływu prądu w obwodzie C potecjał Φ C - B C Φ Działaie trazystora bipolarego złączowego pp c.d. c) Złącze emiter-baza spolaryzowae w kieruku przewodzeia apięciem B - C Bariera potecjału a złączu -B maleje, Dziury z emitera dyfudują do bazy, Następie dziury dyfudują do kolektora, Płyie prąd C w gałęzi kolektora (waruek: iewielka rekombiacja dziur w bazie) Napięcie B określa wysokość bariery potecjału a złączu -B, czyli opór między emiterem i kolektorem TANSSTO TANSfereable ressto. C - B B C C B potecjał Φ- B Φ C Trazystor p działa aalogiczie przy odwrotej polaryzacji Kieruek przepływu prądu jest przeciwy; ośikami prądu emitera są elektroy 3

4 złącze B-C złącze B- kolektor baza emiter ozkład prądów w trazystorze bipolarym C prąd kolektora prąd emitera C B B prąd bazy prąd rekombiacji elektroów w emiterze prąd rekombiacji dziur w bazie Prąd emitera - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombiacyje: iewielka część dziur rekombiuje w bazie elektroy z bazy dyfudują do emitera, gdzie także rekombiują jeśli baza odpowiedio cieka, większość dziur z emitera dociera do złącza B-C dziury wpływające do kolektora tworzą prąd kolektora C Wypływ prądu B z bazy do zewętrzego źródła: rówoważy procesy rekombiacyje utrzymuje wysokość bariery potecjału baza - emiter a odpowiedim poziomie fekt trazystorowy zachodzi gdy: oba złącza mookrystalicze dioda (złącze) emiterowa spolaryzowaa w kieruku przewodzeia dioda (złącze) kolektorowa spolaryzowaa w kieruku zaporowym grubość bazy mała w porówaiu z długością drogi dyfuzji ośików większościowych z emitera ( <<.. mm ) obszar emitera musi zawierać zaczie więcej ośików większościowych iż obszar bazy; prąd płyący od stroy emitera 3 5 razy większy iż prąd od stroy bazy C C B C C B B potecjał Φ - B Φ C - B - 4

5 Zachodzi relacja: C B oraz prąd C jest proporcjoaly do prądu B C Współczyik wzmocieia prądowego trazystora: β h B zwykle β, o ile zewętrze źródła zezwalają C.5 A B ma C C Charakterystyka prądowo-apięciowa trazystora P B Prąd kolektora C arasta β-razy szybciej iż prąd bazy B Prąd kolektora słabo zależy od apięcia kolektor-emiter ( C ). Wprowadzeie prądu do bazy (wywołaie przepływu prądu kolektora) jest możliwe, gdy apięcie B przekroczy apięcie przewodzeia złącza daego typu (.65 V dla krzemu,.35 V dla germau) WZMACNACZ TANZYSTOOW Wzmaciacz to układ elektroiczy, w którym eergia z układu zasilaia jest zamieiaa a eergię sygału wyjściowego ZASLAN Sygał wyjściowy jest fukcją sygału wejściowego WJŚC JŚC POWADZN WSPÓLN Wzmaciacz trazystorowy specjaly, steroway dzielik apięcia zasilającego Jedym z rezystorów w tym dzieliku jest trazystor 5

6 Trzy podstawowe układy wzmaciające z trazystorem bipolarym: zasilaie W L L W L W o wspólym emiterze o wspólym kolektorze o wspólej bazie e wyspecjalizowae wzmaciacze: są modyfikacjami, ewetualie kombiacjami układów podstawowych. zasilaie W L L W L WŁASNOŚC WZMACNACZY W o wspólym emiterze o wspólym kolektorze o wspólej bazie Zakładamy kształt sygału wejściowego (sterującego): u W (t) W cos(ωt) W podkład stały W składowa zmiea harmoicza o amplitudzie W Sygał użyteczy (iosący iformację): składowa zmiea Zakładamy tę samą postać apięcia wyjściowego i wejściowego tę samą postać prądu wyjściowego i wejściowego czyli wzmaciacz pracuje w zakresie liiowym 6

7 Przypomieie: β C B C B ( β ) B Wzmaciacz o wspólym emiterze: prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd kolektora > W β duże wzmocieie prądowe * L o wspólym emiterze Dla dużego oporu rezystora L astępuje a im duży spadek apięcia, a więc duże wzmocieie apięciowe duże wzmocieie mocy zachodzi odwróceie fazy apięcia wyjściowego względem wejściowego Wzmaciacz o wspólym kolektorze (wtórik emiterowy) W - B W W W B < czyli: brak wzmocieia apięciowego prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd emitera czyli W ( β ) o wspólym kolektorze wzmocieie prądowe jest duże zgode fazy sygału wyjściowego i wejściowego 7

8 Wzmaciacz o wspólej bazie: prąd wejściowy prąd emitera: W B ( β ) prąd wyjściowy prąd kolektora: B β β β wzmocieie prądowe: < W o wspólej bazie brak wzmocieia prądowego przy odpowiedio dużym oporze rezystora L moża uzyskać duże zmiay apięcia a wyjściu czyli możliwe duże wzmocieie apięciowe apięcie wyjściowe zgode w fazie z apięciem wejściowym PODSMOWAN N r Wzmaciacz o: WSPÓLNYM MTZ WSPÓLNYM KOLKTOZ WSPÓLNJ BAZ Wzmocieie apięciowe duże < duże Wzmocieie prądowe duże duże < 3 Przesuięcie fazowe W- 8 4 Pasmo przeoszeia małe średie duże 8

9 ZNACZAN PNKT PACY TANZYSTOA W. (ustalaie wejściowego prądu składowej stałej) efekt prostowaia jedopołówkowego dla sygałów siusoidalych, poieważ trazystor pracuje liiowo tylko wtedy, gdy apięcie B przekroczy apięcie przewodzeia daego typu złącza (.65 V) uzyskaie wzmaciaia peło-okresowego wymaga dodaia stałego podkładu (stały prąd bazy) do wzmaciaego sygału zmieego (zmieego prądu bazy) kład automatyczego dodawaia podkładu stałego jest układem polaryzacji (określeie puktu pracy trazystora) W W czas czas Przykład: prąd polaryzacji bazy trazystora ze źródła zasilaia przez oporik b ustalający składową stałą a wejściu. Kodesatory C i C służą do odseparowaia podkładu stałego od wejścia i wyjścia wzmaciacza (sprzężeie AC). W b C L C układ wspóly emiter STALAN OPTYMALNGO PNKT PACY TANZYSTOA graficza aaliza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowaia: P MAX C C C. Przestrzeń puktów pracy ( C, C ), w jakich może zajdować się trazystor / jest ograiczoa przez hiperbolę L maksymalej dopuszczalej cieplej mocy strat trazystora, określoej w katalogu przez produceta: P MAX C * C. Trazystor pracuje w układzie dzielika prosta obciążeia apięcia z rezystorem L - L C przestrzeń puktów pracy ograicza się do prostej opisaej rówaiem: C - L * C (tzw. prosta obciążeia) Napięcie zasilaia oraz opór L dobieramy tak, by prosta obciążeia była stycza C do hiperboli mocy (lub przebiegała poiżej) W b C 3. Odczytujemy optymaly prąd stałego podkładu B, wyzaczamy wartość oporika b z r-ia : -.65V B * b L W b C PNKT PACY B C L C układ wspóly emiter 9

10 PASMO WZMOCNNA PASMO PZNOSZNA Pasmo wzmocieia (przeoszeia) wzmaciacza określoe jest przez: własości trazystora (wielkości pasożyticze) sposób współdziałaia trazystora z obwodem wzmaciacza podłączeia wejścia i wyjścia wzmaciacza Pasożyticze elemety trazystora rzeczywistego: rozproszoa rezystacja bazy r bb, pojemości emiter-baza C eb i kolektor-baza C kb B K < > B Skutek: współczyik wzmocieia prądowego trazystora maleje wraz ze wzrostem częstości r bb C kb C eb Pasmo wzmocieia trazystora jest ograiczoe przez częstość graiczą f T: powyżej częstości f T współczyik wzmocieia prądowego β < K r bb i C eb tworzą filtr góroprzepustowy, który boczikuje złącze baza-emiter zmiejszeie prądu sterującego trazystor przy wysokich częstościach β,, częstość graicza trazystora : β(f T) częstość f T fekt Millera Sprzężeie między kolektorem a bazą w postaci filtra góroprzepustowego tworzoego przez: C kb, r bb oraz rezystację źródła sygału G ograiczeie pasma przeoszeia wzmaciacza w układzie o wspólym emiterze sygały wyjściowe i wejściowe są przeciwe w fazie G źródło sygału ujeme sprzężeie zwrote wyjścia (kolektor) z wejściem (baza) W układzie o wspólym kolektorze słaby wpływ efektu Millera, gdyż kolektor trazystora jest połączoy z iskorezystywym źródłem zasilaia C kb r bb wzmaciacz W układzie o wspólej bazie ie ma oddziaływaia wyjścia wzmaciacza a wejście przez pojemość C kb, gdyż baza ma ustaloy potecjał. Pasmo przeoszeia wzmaciacza określa się podobie jak pasmo przeoszeia filtra: dla częstości graiczych wzmaciacza wzmocieie jest miejsze: maksymalego wy we Pasmo przeoszeia k k( ω) jω ω W / MAX g ωg Częstość

11 strukcja do ćwiczeia Trazystor bipolary wzmaciacz trazystorowy Część Napięcie z geeratora: sygał liiowo arastający od V do 5 V i częstości około Hz (sygał trójkąty) Zbudować obwód: Napięcie W : stałe apięcie z zasilacza regulowae w zakresie od do V mierzymy za pomocą woltomierza C L B W.65V wyzaczyć charakterystyki C ( C ); parametr: prąd bazy B wykreślić rodzię charakterystyk trazystora. B C C.5 A C B ma Część Zbudować wzmaciacz w układzie :wspóly emiter : zasilić układu apięciem stałym 8 V zmierzyć za pomocą woltomierza apięcie kolektora dobrać wartość oporika regulowaego B by C 4 V optymaly pukt pracy trazystora we wzmaciaczu W zmiey sygał sterujący bazą apięcie a kolektorze Wyzaczeie charakterystyki amplitudowej wzmaciacza ( W ) Wejście układu: sygał siusoidaly o częstości około Hz Mierzymy ( W ) w całym zakresie mierzalych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud W, dla których wzmaciacz pracuje liiowo. Dla tego zakresu wyzaczamy wzmocieie wzmaciacza k, dopasowując do daych doświadczalych prostą typu k * W Wyzaczeie charakterystyki częstościowej wzmaciacza: wzmocieie w fukcji częstości: k (ω) Amplitudę sygału wejściowego ależy dobierać tak, by w całym zakresie badaych częstości ( Hz - MHz) sygał był przetwarzay liiowo

12 ANALZA Wyzaczyć częstości graicze kład różiczkujący W jω ωg jω ω g Pojemość i rezystacja wejściowa wzmaciacza wzmocieie k -/ k max wpływ sprzężeia wpływ trazystora kład całkujący kład całkujący W jω ω g Pojemość i rezystacja wyjścia ω g pasmo ω g częstość Filtr góro- dolo-przepustowy: ωg C TANZYSTOY POLOW TANZYSTOY POLOW ZŁĄCZOW (Juctio Field ffect Trasistors) ezystacja wejściowa (GAT SOC) trazystora sięga 9 Ω

13 TANZYSTOY POLOW Z ZOLOWANĄ BAMKĄ solated Gate Field ffect Trasistors Metal Oxide Semicoductor Field ffect Trasistors (MOSFT) Opór bramki względem podłoża sięga - 4 Ω trazystory MOSFT w wersjach: wstępie otwarty lub wstępie zamkięty ZJAWSKA LNOW NLNOW X przyczya (t) > POCS > X skutek (t) X s X s X p X p Proces liiowy: X s (t)k*x p (t) Proces ieliiowy: X s (t) ieliiowa fukcja [X p (t)] ezystory, kodesatory i cewki to elemety liiowe (w dobrym przybliżeiu) Większość elemetów elektroiczych to elemety ieliiowe. Przykłady: diody, trazystory, tyrystory, lampy elektroowe itd. 3

14 Liiowy Nieliiowy f ( ) ( ) cost ( ) cost f ( ) Nieliiowe układy elektrycze elemet ieliiowy X r d f ( ) rezystacja zwykła: r d X rezystacja różiczkowa (dyamicza): dla elemetów ieliiowych: X X d d r d X X X w elemetach ieliiowych amplituda atężeia prądu ie jest liiową fukcją amplitudy apięcia w ogólości wyraża się szeregiem: s 4

15 ZJAWSKA NLNOW X przyczya (t) > POCS > X skutek (t) Proces ieliiowy (przykład): X s (t)k*[x p (t)ε*x p (t)] ε<< Założeie: X p (t) cos(ωt) X s X s (t) k*[cos(ωt) ε*cos (ωt)] X S ε ε ( t) k[cosωt cos(ωt)] cos θ ( cosθ ) W procesie ieliiowym powstała fala o dwóch składowych częstości: podstawowej: ω drugiej harmoiczej: ω stała ε/ przesuięcie wartości średiej wyprostowaie (rektyfikacja) Procesy ieliiowe > dodatkowe częstości X p Mieszaie częstości w układzie ieliiowym (przykład) ( t) A cosω t B cosω t X p POCS NLNO: X s (t)k*[x p (t)ε*x p (t)] ε<< X ( t) k X s k X ( t) k ε( A p p ( t) k ε( Acosω t Bcosω t) cos ω t B cos ω t ABcosω t cosω t) AB[cos( ω ω) t cos( ω ω) t ] składowe sygału X s : ω, ω, ω, ω, ω ω, ω ω modulacja amplitudy u(t) π ω π ω jeśli ω zaczie większe od ω (ale porówywale) modulacja amplitudy fali o częstości ω z częstością ω C ( t) cosω t czas fukcja modulacji amplitudy fali podstawowej 5

16 WDMO SYGNAŁ, SKŁADOW HAMONCZN Twierdzeie Fouriera : jeżeli fukcja u(t) jest okresowa (periodycza) o okresie T, to moża ją przedstawić w postaci sumy szeregu harmoiczego: a T ) T T u( t) a u( t dt o cos( ω t) b si( ω t) a T a T Po przekształceiach i podstawieiu: u ( t )cos( ω t ) dt T C a b T b T u ( t )si( ω t ) dt T b φ arctg a Każdą fukcję periodyczą możemy przedstawić w postaci: u( t) a o C cos( ω t φ ) ω - częstości kolejych składowych harmoiczych gdzie: Zbiór trójek liczb: ( C ω, φ ), φ C ω π T - fazy kolejych składowych harmoiczych amplitudy kolejych składowych harmoiczych jest widmem sygału składowe o częstościach ω składowe harmoicze Fukcja okresowa charakteryzuje się widmem dyskretym!!! f (t) siω t si 3ω 3 t si 5ωt 5 u(t) 4 f t) (siω t si3ωt si5ω t π 3 5 ( C...) t ω 3ω 5ω 7ω 9ω 6

17 WZBOGACAN WDMA SYGNAŁ W KŁADACH NLNOCH u W (t) u (t) t t C W C ω ω układ ieliiowy ω ω 4ω 5ω ω ( ω φ Źródło: sygał harmoiczy t) Acos( t ) W sygał wyjściowy obwodu: spadek apięcia a rezystorze ( t) ( Acos( ω t φ ) ) D Zgodie z twierdzeiem Fouriera: ( ) t C cos( t ) Widmo sygału wyjściowego jest bogatsze iż widmo sygału wejściowego!!! (pojawiają się składowe o częstościach ω, ω, 4ω itd.) ω φ WAGA: kłady liiowe (p. układy LC) zmieiają widmo sygału oddziaływując a amplitudę i fazę poszczególych składowych harmoiczych. Jedak układy liiowe ie wzbogacają widma sygału Zastosowaia układów ieliiowych POWLACZ CZĘSTOŚC ω ω, ω, 3ω,... ω sygał siusoidaly geerator układ ieliiowy filtr rezoasowy kombiacja harmoiczych sygału wejściowego wybór składowej o daej częstości ω MSZACZ CZĘSTOŚC ω ω, ω, 3ω,... ω, ω, 3ω,... ω ω, ω -ω,......, ω ω,..., ω -ω,... ω mω składowe o częstościach iterkombiacyjych ω układ ieliiowy filtr rezoasowy wybór określoej składowej Zjawiska ieliiowe podstawą elektroiki kwatowej - techiki laserowej, radiotechiki 7

18 MODLACJA AMPLTDOWA (AM) modulacja amplitudy: przekazywaie iformacji o częstości Ω za pomocą fali ośej o częstości ω u(t) π Ω π ω [ m si( Ωt) ] si( ω ) u( t) t m głębokość modulacji Po przekształceiach t) si( ω t) m { cos[ ( ω Ω) t] cos[ ( ω ) t] } czas ( Ω Widmo fali zmodulowaej amplitudowo złożoe z trzech składowych o częstościach: ω (fali ośej) oraz ω Ω i ω -Ω (wstęg boczych) ω ω Ω ω -Ω Nadajik (radiowy) ω geerator powielacz modulator (mieszacz) filtr rezoasowy wzmaciacz ω mikrofo ω / wzmaciacz Ω ω, ω Ω ω -Ω atea ODBONK: DMODLACJA FAL ZMODLOWANJ AMPLTDOWO Techika ieliiowa > odbiór iformacji przekazywaej drogą radiową Najprostszy odbiorik atea ω ω Ω ω -Ω detektor Ω słuchawka wybór stacji adawczej czyli częstości ω filtr rezoasowy filtr doloprzepustowy detektor - elemet ieliiowy wybór sygału iformacyjego o częstości Ω W układzie ieliiowym: mieszaie składowych przebiegu zmodulowaego amplitudowo w widmie wyjściowym: składowa iskiej częstości Ω (iformacja) Odbioriki detektorowe: wykorzystywae do odbioru tylko bardzo silych stacji 8