WYKŁAD 5 TRANZYSTORY BIPOLARNE

Transkrypt

1 43 KŁAD 5 TRANZYSTORY IPOLARN Tranzystor biolarny to odowiednie ołączenie dwu złącz n : n n n W rzeczywistości budowa tranzystora znacznie różni się od schematu okazanego owyżej : (PRZYKŁAD TRANZYSTORA PLANARNGO )

2 44 Działanie tranzystora (na rzykładzie tranzystora n): W stanie bez olaryzacji zewnętrznej dziury z a nie rzenikają do a, gdyż są blokowane rzez barierę otencjału -. Podobna bariera otencjału istnieje na złączu -. Po rzyłożeniu zewnętrznej różnicy otencjałów między i ( ozostaje z niczym nieołączona) również nie obserwuje się rzeływu rądu. Naięcie U C odkłada się na zaorowo solaryzowanym złączu -. otencjał Φ n Φ U C Jeżeli między bazę i zostanie rzyłożone naięcie U zmniejszające tę barierę otencjału, dziury z C a dostana się do bazy, a nastęnie, o ile nie zrekombinują w niej, rzedyfundują do a, tworząc rąd. Regulując naięcie U regulujemy wysokość bariery otencjału za tym złączu, kontrolując otencjał Φ+U C Φ jednocześnie ilość dziur dostających się do bazy. Dzięki temu za omocą sygnału elektrycznego dostarczanego do bazy kontrolujemy oorność między em i em. Tak działa U C TRANSfereable rezistor. U Aby wystąił efekt tranzystorowy (by I dziury nie zrekombinowały w bazie), C musi być odowiednio cienka. Czas otencjał Φ-U rekombinacji dziur w bazie musi być Φ+U C znacznie dłuższy niż czas ich dyfuzji rzez bazę!!! Działanie tranzystora nn jest analogiczne, jednak kierunki naięć i rądów są odwrotne niż w rzyadku n, a nośnikami rądu a są elektrony

3 45 złącze -C złącze - rąd a I = +I rąd a I rąd bazy rąd rekombinacji elektronów w ze rąd rekombinacji dziur w bazie Rozkład rądów w tranzystorze biolarnym Obniżenie bariery otencjału na złączu - umożliwia dyfuzję dziur do bazy. W ten sosób owstaje rąd a I. Niewielka część dziur rekombinuje w bazie. Przez obniżoną barierę otencjału z bazy do a dostają się elektrony, gdzie także rekombinują. Dlatego, by utrzymać barierę otencjału - na odowiednim oziomie, z bazy do zewnętrznego źródła musi wyływać rąd I, równoważący owyższe rocesy rekombinacyjne. Jednak większość dziur, zanim zdąży zrekombinować w bazie, dociera do złącza -. ariera otencjału na tym złączu nie stanowi dla dziur rzeszkody, dzięki czemu dziury dostają się do a, tworząc rąd. Zachodzi relacja : I = IC + I. O ile zewnętrzne źródła zezwalają, rąd jest roorcjonalny do rądu I. IC Wsółczynnik wzmocnienia rądowego tranzystora : β = h21 = ma wartość od kilku do I kilkuset (zwykle β 100). 0.5 A I =0 ma U U U C

4 46 Prąd a narasta wraz z naięciem - β-razy szybciej niż rąd tego złącza I. Prąd a zależy od rądu bazy, lecz słabo zależy od naięcia - (U C ). Należy amiętać, że wrowadzenie rądu do bazy (a tym samym wywołanie rzeływu rądu a) jest możliwe, gdy naięcie U rzekroczy naięcie rzewodzenia złącza danego tyu (0.65 V dla krzemu, 0.35 V dla germanu) WZMACNIACZ TRANZYSTOROW Wzmacniacz jest to układ, w którym energia z zasilacza jest zamieniana na energię sygnału ZASILANI wyjściowego. Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego. Wzmacniacz tranzystorowy jest secjalnym, WJŚCI JŚCI sterowanym dzielnikiem naięcia zasilającego. Jednym z rezystorów w tym dzielniku jest tranzystor. Dla tranzystora biolarnego mamy trzy PROWADZNI WSPÓLN odstawowe układy wzmacniające : zasilanie R L W R L W R L W o wsólnym ze o wsólnym ze o ws. bazie Założymy, że naięcie wejściowe wzmacniacza składa się z odkładu stałego U W0 i składowej zmiennego amlitudzie U W : u W (t) = U W cos(ωt) +U W0,, rzy czym odkład stały ełni tylko rolę omocniczą, natomiast sygnałem użytecznym jest składowa zmienna. Podobną ostać ma naięcie wyjściowe. Zakładamy tę samą ostać również dla rądów wejściowych i wyjściowych. Wszystkie arametry wzmacniacza określamy tylko dla składowej zmiennej. Z zasady działania dzielnika naięcia wynikają nastęujące własności owyższych wzmacniaczy :

5 47 Nr Wzmacniacz o : WSPÓLNYM MITRZ WSPÓLNYM KOLKTORZ WSPÓLNJ AZI 1 Wzmocnienie naięciowe duże < 1 duże 2 Wzmocnienie rądowe duże duże < 1 3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym Pasmo rzenoszenia małe średnie duże 1. Wzmacniacz o wsólnym ze : Prąd wyjściowy (rąd łynący rzez rezystor R L ) jest rądem a, jest więc duży, bo β- krotnie większy od rądu wejściowego - rądu bazy. Dlatego wzmocnienie rądowe tego układu jest duże. Stosując odowiednio duży rezystor racy R L można uzyskać na nim duży sadek naięcia, a więc i duże wzmocnienie naięciowe. Wzmacniacz ten charakteryzuje się więc dużym wzmocnieniem mocy. Wzrost naięcia wejściowego owoduje zwiększenie rądu bazy tranzystora, a więc zmniejszenie jego rezystancji między em i em, czyli (z zasady dzielnika naięcia ) sadek naięcia wyjściowego. Analogicznie, rzy zmniejszającym się naięciu wejściowym nastąi wzrost naięcia wyjściowego. Zachodzi więc odwrócenie fazy naięcia wyjściowego względem wejściowego. 2. Wzmacniacz o wsólnym ze : ma wzmocnienie naięciowe U /U W <1 bo : U W = U + U. Ponieważ nie ma odwrócenia fazy sygnału uzyskujemy, że wzmocnienie naięciowe : U U W = U U + U rąd wyjściowy jest rądem a, jest więc β+1 razy większy od rądu wejściowego - rądu bazy. Wzmocnienie rądowe jest więc duże. 3. Wzmacniacz o wsólnej bazie : rąd wejściowy jest rądem a : I = I (β + 1), a rąd wyjściowy jest rądem a : We < 1. I = I β. Wzmocnienie rądowe : I I W = β β + 1 < 1. Mimo to stosując odowiednio duży rezystor R L można uzyskać duże zmiany naięcia na wyjściu i tym samym duże wzmocnienie naięciowe.

6 48 PASMO WZMOCNINIA. Pasmo wzmocnienia jest określone rzez własności tranzystora (jego wielkości asożytnicze) oraz sosób jego wsółdziałania z obwodem wzmacniacza. 1. Pasożytnicze ojemności tranzystora : Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje się różnymi wielkościami asożytniczymi, z których najważniejsze to: rozroszona rezystancja bazy r bb oraz ojemności - C be i C bk K K C kb < > r bb C eb. Pasożytnicza ojemność między bazą a em (C be ) tworzy wraz z rozroszoną rezystancją bazy (r bb ) filtr dolnorzeustowy, który rzy wysokich β częstotliwościach bocznikuje złącze, zmniejszając rzeływający rzezeń rąd sterujący tranzystor. W 10 0,1 częstotliwość graniczna tranzystora : β(f T )=1 rezultacie wsółczynnik wzmocnienia rądowego tranzystora maleje wraz ze 1 0, czestotliwość f T wzrostem częstotliwości. Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone rzez jego częstotliwość graniczną f T ; owyżej tej częstotliwości wsółczynnik wzmocnienia rądowego β jest mniejszy od jedności. 2. fekt Millera. W ewnych układach - n. we wzmacniaczu o wsólnym ze - asmo rzenoszenia jest znacznie mniejsze niż f T na skutek oddziaływania asożytniczej ojemności - C kb. rezystancją źródła sygnału R G i rozroszoną rezystancją bazy r bb. W układzie tym naięcie wyjściowe - będące naięciem a - ma fazę rzeciwną niż naięcie wejściowe, czyli naięcie bazy. Przy wysokich częstotliwościach rąd z a rzenika do bazy rzez układ

7 49 górno rzeustowy C bk (R G +r bb ), osłabiając sygnał sterujący tranzystor. Jest to tzw. efekt Millera. Oddziaływanie sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy nazywamy srzężeniem zwrotnym Pasmo rzenoszenia wzmacniacza określa się odobnie jak asmo rzenoszenia filtru : dla częstości granicznych wzmacniacza C bk R G r bb wzmocnienie jest mniejsze o 1 2 w stosunku źródło sygnału wzmacniacz do wzmocnienia maksymalnego. Nie należy mylić częstotliwości granicznej wzmacniacza z częstotliwością graniczną tranzystora. fekt Millera raktycznie nie wystęuje w układzie o wsólnym ze, gdyż tranzystora jest ołączony z niskorezystywnym źródłem zasilania, czyli źródłem naięcia stałego. Również w układzie o wsólnej bazie nie ma oddziaływania wyjścia wzmacniacza na wejście rzez ojemność C C, gdyż naięcie wejściowe wzmacniacza jest naięciem a, a ma ustalony otencjał. U 2U U wy/u we W MAX asmo rzenoszenia ν g Częstotliwość ZNACZANI PUNKTU PRACY (ustalanie wejściowego rądu składowej stałej). Ponieważ tranzystor nn może racować liniowo tylko wtedy, gdy naięcie U rzekroczy naięcie rzewodzenia danego tyu złącza (0.65 V), gdyby na wejście wzmacniacza skierować sygnał sinusoidalny, owstałby na wyjściu wzmocniony sygnał o kształcie odobnym do rzebiegu wyrostowanego jednoołówkowo. U W U czas

8 50 Dlatego, aby otrzymać wzmacnianie ełno okresowe należy do wzmacnianego sygnału zmiennego (zmiennego rądu bazy) dodać odkład stały (stały rąd bazy). Układy automatycznego dodawania odkładu stałego nazywają się układami olaryzacji lub układami określającymi unkt racy tranzystora. Przykład takiego układu odano obok. Prąd olaryzacji jest kierowany do bazy tranzystora za źródła zasilania za omocą oornika R b. Kondensatory C 1 i C 2 służą do odsearowania odkładu stałego od wejścia i wyjścia wzmacniacza (srzężenie AC). Aby znaleźć otymalny unkt racy tranzystora osługujemy się najczęściej graficzną analizą jego charakterystyk. Postęuje się wówczas według nastęującego schematu: 1. Przestrzeń unktów racy, czyli unktów o wsółrzędnych (U C, ), w jakich może znajdować się tranzystor (bez dodatkowych elementów) jest ograniczona rzez hierbolę maksymalnej douszczalnej cielnej mocy strat tranzystora, określonej w katalogu rzez roducenta : P MAX = U C. Przekroczenie jej grozi saleniem tranzystora. 2. Jeżeli tranzystor wsółracuje w układzie dzielnika naięcia z rezystorem R L, rzestrzeń unktów racy ogranicza się do rostej oisanej równaniem : U C =-R L (tzw. rosta obciążenia). W raktyce należy tak dobrać naięcie zasilania wzmacniacza oraz oór racy R L, by rosta ta była styczna do hierboli obciążenia (lub rzebiegała nieco oniżej). /R L U W U W hierbola mocy P MAX = U C Prosta obciążenia -R L czas PUNKT PRACY U C I 0

9 51 3. Prosta obciążenia rzecina oś naięć - w unkcie, a oś rądów a w unkcie /R L. Żaden z tych arametrów nie może rzekraczać maksymalnych wielkości tranzystora (max, U Cmax ) douszczonych rzez roducenta. 4.Środkowy unkt odcinka rostej obciążenia leżący w owyżej rzedstawionej ćwiartce układu wsółrzędnych odowiada otymalnemu unktowi racy wzmacniacza. Z odowiadającej mu gałęzi charakterystyki tranzystora można odczytać otymalny rąd olaryzacji I 0 (czyli rąd stałego odkładu), jaki należy wrowadzić do bazy. Pozwala to wyznaczyć wartość oornika R b z równania : -0.65V=I 0 R b. 5. Dobór ojemności srzęgającej C 1 owinien uwzględniać asmo rzenoszenia wzmacniacza, gdyż C 1 wraz z rezystancją wejściową układu tworzą filtr górno rzeustowy. Dla wysokich częstotliwości asmo rzenoszenia wzmacniacza jest ograniczone rzez własności tranzystora. Jeżeli budowany jest wzmacniacz o wsólnym ze, ze względu na efekt Millera katalogowa częstotliwość graniczna tranzystora f T owinna być rzeszło 100 razy większa niż rzewidywana górna granica asma rzenoszenia wzmacniacza. 4. wzmocnienie k 2-1/2 k max wływ srzężenia asmo częstotliwość wływ tranzystora Znanych jest wiele schematów olaryzacji tranzystorów. Powyżej oisano najrostszy z nich, obok rzedstawiono jeden z najczęściej stosowanych Oisane owyżej wzmacniacze o wsólnej bazie, wsólnym ze i wsólnym ze są układami odstawowymi. Inne wysecjalizowane wzmacniacze (n. wzm. mocy, wzm. rezonansowe, wzm. wielkiej częstotliwości, wzm. różnicowe itd) są ich modyfikacjami, ewentualnie kombinacjami.