Elektrotechnika elektronika miernictwo

Transkrypt

1 Elektrotechnika elektronika miernictwo Franciszek Gołek Wykład 9 Tranzystory i wzmacniacze.

2 Generalnie aby wzmacniać sygnały elektryczne lub sterować włącznikiem musimy mieć do czynienia z układami, które mają dwa zaciski wejściowe i dwa wyjściowe. Modelowanie wnętrza Tranzystory zwykle mają 3 zaciski, w praktyce jeden z nich jest wspólny dla sygnału wejściowego i wyjściowego.

3 Trochę historii. Niezwykle ważne dla wynalezienia tranzystora były: 1) W 1936 r. Mervin Kelly organizuje grupę badawczą dla rozwoju urządzeń elektronicznych na bazie ciał stałych (jak diody krystaliczne, zamiast lamp próżniowych). 2) Inna grupa powołana w 1946 r. przez M. Kelly ego, której kierownikiem został Bill Shockley decyduje aby zająć się najprostszymi półprzewodnikami: germanem i krzemem. 3) Bardeen i Brattain, na podstawie prac z Purdue University orientują się, że głównym problemem uzyskania efektu polowego (czyli zmiany oporności wymuszonej polem elektrycznym) są stany powierzchniowe. 4) Wcześniejsze wynalezienie lamp elektronowych, których wady (straty mocy na grzanie katod i koszty produkcji) należało wyeliminować a pozostawić zaletę; efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych.

4 Lampy próżniowe Lampa trioda Tranzystor jest elementem, który zmieniając swoją oporność może wzmacniać sygnały elektryczne w sprzęcie audio albo jako tzw. 0-1 przełącznik realizować funkcje logiczne w obwodach cyfrowych. Znacznie wcześniej przed powstaniem tranzystora wynaleziono Lampę: J.A. Fleming 1904 dioda próżniowa oparta na efekcie Edisona, Lee De Forest 1906 trioda próżniowa, I. Langmiur 1912 wysoko-próżniowe lampy radiowe. Poczynając od lampy triody, złożonej z katody, anody oraz umieszczonej między nimi siatki, stało się możliwe sterowanie prądem anoda-katoda przy pomocy pola elektrycznego siatki i małego prądu siatka-katoda. Ten swoisty zawór, w którym potencjał siatki przymyka prąd anodowy zapewnił efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych. Dla wielu badaczy efekt wzmocnienia sygnału sterującego triodą był inspiracją w pracach nad otrzymaniem tranzystora. CHAP-4A.html,

5 Wyjaśnienie wzmacniania sygnałów elektrycznych na zasadzie działania dzielnika napięcia zawierającego jeden sterowalny, zmienny rezystor. Rozważmy układ szeregowo połączonych: 1. sterowanego rezystora zmiennego Rz, 2. rezystora stałego Ro odbiornika mocy oraz 3. zasilacza, tak jak dzielnik napięcia. Mamy tu (zaniedbując RT) URo = Ro U/(Ro + Rz) napięcie na Ro URz = Rz U/(Ro + Rz) napięcie na Rz. Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <<Ro moc wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu od Pmin 0 do Pmax U2/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość Pwy Pmax U2/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który pokręcił rezystorem Rz była mniejsza od Pmax to otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału KP = Pwy /Ps. Taki trick można wykonać zarówno przy pomocy lampy jak i tranzystora. Zdolność wpływania sygnału elektrycznego na inny sygnał elektryczny to podstawowa cecha tzw. elementów aktywnych. Obecnie w układach elektronicznych elementy aktywne w postaci tranzystorów występują obficie.

6 Trioda jako element dzielnika napięcia dającego wzmocnienie sygnału elektrycznego. Dzięki dużej przeźroczystości siatki S wielokrotnie mniej elektronów trafia w siatkę niż zostaje przez nią przepuszczonych do anody co stanowi wzmocnienie prądowe Ia>IS. Z rodziny charakterystyk statycznych na poniższym rysunku widać, że US < Ua (8V<90V) co daje wzmocnienia napięciowe. Mamy również: Ia>IS oraz Ia> IS co w iloczynie z napięciem daje znaczne wzmocnienie mocy. Ua Ia >> US IS PRa >> PMoc sterująca

7 Parametry lampy. Oznaczenia: Ua - Napięcie anodowe względem uziemionej katody. Ia - Prąd anodowy, Us - Napięcie siatka katoda, symbol małej zmiany (przyrostu), Ra - rezystor anodowy Lub (obciążenie). ra (lub ρa) - dynamiczna rezystancja anodowa: ra = Ua/ Ia przy stałym napięciu siatki US gm - transkonduktancja (lub Sa - nachylenie charakterystyki): gm = Ia/ US przy stałym napięciu anody Ua. µ (lub ka) - współczynnik amplifikacji: µ = I Ua/ USI przy stałym prądzie anodowym Ia. Między współczynnikiem amplifikacji µ, rezystancją dynamiczną anodową ra i transkonduktancją gm (Sa) występuje związek: µ = ra gm (lub ka= ρa Sa) Wzmocnienie napięciowe ku = µ Ra/( ra+ra), lub ku = ka Ra/(ρa +Ra)

8 Zanim przejdziemy do omawiania tranzystora warto wspomnieć, oprócz triody, o takich lampach jak tetroda czy pentoda. Trioda jest lampą trójelektrodową i najprostszą zapewniającą efekt wzmocnienia. Poprawiając charakterystyki wzmacniacza w lampie dodano drugą siatkę (o stałym potencjale dodatnim) aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą między anodą a siatką pierwszą sterującą tak powstała tetroda. Tetroda miała jednak poważną wadę polegającą na tym, że część elektronów wtórnych, wybijanych z anody była przechwytywana przez dodaną siatkę drugą. Taki efekt, zwany dynatronowym, powodował wklęśnięcia na charakterystykach anodowych lampy I a=ia(ua) a przez to poważne zniekształcenia wzmacnianego sygnału. Aby tego uniknąć dodano jeszcze jedną, trzecią siatkę tak powstała pentoda. Siatka trzecia w pentodzie zwykle ma potencjał zerowy (czyli jest zwarta z katodą) i dzięki temu stanowi barierę dla elektronów wtórnych z anody. Elektrony wtórne są zawracane do anody i efekt dynatronowy tu nie występuje. Oprócz pentod z siatką zerową (antydynatronową) stosowane były również pentody z podwójnym sterowaniem, tzw. pentody mieszające. W takich pentodach siatka trzecia była drugą siatką sterującą. Takie pentody można było stosować w układach koincydencyjnych i antykoincydencyjnych jak również do przemiany częstotliwości (czy modulacji sygnałów w.cz.). Ich wadą znowu była duża pojemność między anodą a siatką trzecią (S3) ograniczając od góry częstotliwość sygnałów doprowadzanych do siatki S3. W heptodzie mamy dwie dodatkowe siatki ekranujące (S1 i S3 sterujące a S2 i S4 ekranujące albo S1 i S4 sterujące a S3 i S5 ekranujące z S2 jako specjalnej siatki-anody dla heterodyny lokalnego generatora).

9 TRANZYSTORY W 1926r. Julius Lilienfeld (autor wielu patentów) opatentował ideę, że słabo przewodzący materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu wzmocnienia (i może też efektu przełączania). Poszukiwania realizacji tej idei trwały wiele lat. Przemysł telekomunikacyjny stosował w tym czasie niedogodne lampy próżniowe i przełączniki. W roku 1946 Mervin Kelly dyrektor laboratoriów Bell a powołał grupę badawczą dla opracowania stałociałowych substytutów lamp i przełączników. Członkowie tej grupy w 1947 roku, wynaleźli tranzystor ostrzowy a po kilku miesiącach tranzystor złączowy. Tranzystory polowe, realizujące ideę Lilienfelda, pojawiają się od 1953 roku jako tranzystory typu JFET, i po 1960 roku jako tranzystory MOSFET. Już w 1954 roku sprzedano tranzystorowych radioodbiorników a laboratoria Bell a wykonały komputer z 700 tranzystorami dla sił powietrznych USA.

10 Tranzystor to wynalazek, który wywarł i nadal wywiera wielki wpływ na człowieka i jego otoczenie. Wynalezienie tranzystora było jednym z wielu pożytecznych wyników szerokiego programu badawczego poświęconego półprzewodnikom, w którym brali udział fizycy, chemicy, metalurdzy i elektronicy. Wiele lat przed wynalezieniem tranzystora wiadomo było, że przewodność półprzewodnika zmienia się pod wpływem temperatury oraz pod wpływem oświetlenia (przewodność rośnie z temperaturą odwrotnie niż w metalach, przewodność rośnie też przy oświetlaniu). Oczywistym jest, że przewodność zależy od ilości nośników ładunku w jednostce objętości oraz od ich ruchliwości. Ruchliwość to stosunek prędkości dryfu nośników ładunku vd w polu elektrycznym E do natężenia tego pola. Ruchliwość nośników ładunku decyduje o szybkości działania i przełączania tranzystorów. Wzrost temperatury obniża ruchliwość w metalach i półprzewodnikach ale gwałtownie zwiększa ilości nośników ładunku i przewodność tylko w półprzewodnikach. Efekty te wyjaśnia pasmowa teoria ciał stałych zapoczątkowana przez A.H. Wilsona w 1931r. Już na początku XX wieku do odbioru fal radiowych wykorzystywano, nie rozumiejąc jego działania, detektor kryształowy (czyli diodę ostrzową) w postaci złącza bardzo cienkiego drutu stalowego z kryształkiem galeny (PbS). Układy z detektorem kryształowym były stopniowo wypierane przez układy lampowe, a te już w drugiej połowie XX wieku przez układy tranzystorowe. Oczywiście to fizycy wynaleźli tranzystor i fizycy znajdują kolejne jego udoskonalenia. W. B. Shockley w roku 1938 rozpoczął poszukiwanie sposobu zmiany detektora krystalicznego na wzmacniacz sygnału elektrycznego. Poszukiwania te przerwane przez wojnę kontynuował od roku 1945 kierując grupą, w której byli między innymi Brattain i Bardeen (wynalazcy tranzystora ostrzowego).

11

12 Warstwa inwersyjna W budowie tego pierwszego tranzystora trudnym było umieścić dwa ostrza (emiter i kolektor) w odległości około 0,05 mm od siebie na czystej powierzchni kryształu Ge. W tranzystorach ostrzowych trzeba było dokonywać tzw. formowania poprzez odpowiedni impuls prądowy, w czasie którego atomy emitera dyfundowały do kryształu Ge i zapewniały powstanie warstwy typu p.

13 Tranzystory złączowe bipolarne Znak + przy symbolach typu domieszki n+ i p+ oznacza silniejsze domieszkowanie; emiter jest domieszkowany bardziej niż kolektor. Silniejsze domieszkowanie daje węższą warstwę zubożoną! Tranzystor ma tylko 3 końcówki!

14 Złożona budowa współczesnych tranzystorów Zależnie od przeznaczenia mogą mieć różne rozwiązania i rozmiary. Ilustracje tranzystorów zwykle zawierają wiele uproszczeń. Przykładowo, tranzystor ma dodatkowe warstwy zapewniające dobre kontakty omowe do elektrod co w ilustracjach jest zwykle pomijane.

15

16 Dzięki tranzystorom możemy: 1) budować układy wzmacniające iloczyn napięcia i prądu czyli moc sygnału elektrycznego, 2) budować przełączniki i układy zerojedynkowe. Podobne możliwości stwarzały lampy ale przy większych kosztach i stratach energii na grzanie katod. Ponadto dzięki tranzystorom dokonuje się rewolucja, w której dotychczasowy nośnik informacji - papier zastępowany jest nośnikami elektronicznymi i powstaje inteligencja z elektronicznymi mózgami i sensorami daleko bardziej sprawnymi od naszych biologicznych. W nazwie tranzystor bipolarny słowo bipolarny bierze się z tego, że w mechanizmie działania takich tranzystorów istotną rolę odgrywają nośniki ładunku obu znaków tj. elektrony i dziury (prąd płynie przez złącza p-n). Tranzystory te składają się z dwóch złączy pn, które razem stanowią układ typu npn albo pnp. Takie układy nazywamy odpowiednio tranzystorami typu npn lub pnp. W obu przypadkach środkowa warstwa półprzewodnika, zwana bazą B, jest bardzo cienka. Jej grubość jest porównywalna ze średnią drogą swobodną nośników ładunku wstrzykiwanych do niej z emitera, tak aby zapewnić sam efekt tranzystorowy polegający na przechwytywaniu tychże nośników przez kolektor. Prąd kolektora jest niemal równy prądowi emitera. Tylko drobna część nośników (około 1%), które ulegną rekombinacji w cienkiej bazie stanowią prąd bazy. Brzegowe warstwy tranzystora mają nazwy odpowiednio: emiter E i kolektor C. Nazwa tranzystor pochodzi od angielskiego opisu efektu: TRANsferable resistor, w którym rezystancja między kolektorem a emiterem może być zmieniana przez sygnał podany między bazę a emiter.

17 Modele diodowe ułatwiają sprawdzenie i rozpoznanie tranzystora przy pomocy multimetru. Multimetry zwykle dysponują funkcją dioda, która daje stały prąd od zacisku czerwonego do tzw. wspólnego. Sprawdzając tą funkcją złącza BE i BC, stwierdzimy, że UCB < UBE co jest zgodne z faktem silniejszego domieszkowania emitera niż kolektora. Tranzystor połączony szeregowo swoimi zaciskami emitera i kolektora z opornikiem i zasilaczem o napięciu UCC stanowi swoisty dzielnik napięcia z zasilacza! Złącze BE jest polaryzowane sygnałem sterującym. Otwierając złącze BE powodujemy, że z emitera wprowadzane są mobilne nośniki ładunku w obszar cienkiej bazy a tym samym w pobliże złącza BC. Około 99% tych nośników jest porywane przez kolektor (rys. na następnym slajdzie). Tylko około 1% nośników trafia w obszarze bazy na nośniki przeciwnego znaku i rekombinuje z nimi. W tranzystorze npn elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy rekombinują z dziurami nośnikami większościowymi w bazie. Na miejsce każdej znikającej dziury, w procesie rekombinacji, z zacisku bazy wchodzi następna dziura stanowiąc prąd bazy. Z powodu wielu analogii tranzystor nazywany jest czasem triodą półprzewodnikową. Najprostszy model intuicyjny mówi, że sygnałem o małej amplitudzie mocy, za pomocą bazy (zaworu), dokonuje się zamykanie i otwieranie przepływu dużego ładunku czyli prądu o dużej amplitudzie mocy między kolektorem i emiterem.

18 Źródło sterujące złączem BE pracuje z małym prądem ale decyduje o prądzie o natężeniu o dwa rzędy wielkości większym (99%/1%) w obwodzie emiter-kolektor-opornik-zasilacz. Cechą charakterystyczną tranzystora jest to, że prąd kolektora I C jest proporcjonalny do prądu bazy IB. Stosunek ßst = IC/IB nazywa się statycznym (stałoprądowym) współczynnikiem wzmocnienia prądowego, inne oznaczenie: h21e = IC/ IB. Prąd emitera rozgałęzia się na prąd bazy i prąd kolektora: IE = IC + IB. Zatem IE jest h21e+1 razy większy od IB.

19 Cieczowy model spolaryzowanego otwartego i zamkniętego tranzystora npn

20 Modele tranzystora bipolarnego Tranzystory bipolarne pracujące jako wzmacniacze traktuje się zwykle jako elementy sterowane prądowo (sterowane prądem bazy), choć stosowane są też modele w postaci źródeł napięcia lub prądu sterowanych napięciem. µ - jest współczynnikiem proporcjonalności.

21 Modele tranzystora bipolarnego Tranzystory bipolarne mogą też pracować jako elementy przełączające (nieliniowe, on/off). Wtedy można je traktować jako przełączniki sterowane prądem (rys. a) albo przełączniki sterowane napięciem (rys. b).

22 Przykład 9.1. Wyznaczyć wzmocnienie Ku = uo/us układu, którego model przedstawia rysunek obok. Rozw. uin = us ri/(ri + Rs), Zatem napięcie (Thevenina) sterowanego źródła napięcia wynosi: µuin= µ us ri/(ri + Rs), napięcie wyjściowe układu uo na obciążeniu Ro (z zasady działania dzielnika napięcia) wynosi: uo = µ us ri/(ri + Rs) Ro/(rout + Ro) Ku = uo/us= µ ri/(ri + Rs) Ro/(rout + Ro) Z wyrażenia na ku widać, że wzmocnienie układu jest mniejsze od µ (wzmocnienia samego tranzystora) i zależy od względnej wartości rezystancji wejściowej ri i rezystancji źródła Rs oraz rezystancji obciążenia Ro i rezystancji wyjściowej rout. Wzmocnienie staje się bliskie wartości µ gdy ri >> Rs i Ro >> rout.

23 Prosty model tranzystora bipolarnego mówi, że: I = βi, gdzie 10<β<1000. C B Każdy tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi (dopuszczalnymi) wartościami IC, IB i UCE. Ważną wielkością charakteryzującą tranzystor jest częstotliwość graniczna ft określana jako ta, przy której współczynnik wzmocnienia prądowego maleje do jedności.

24 Prosty model tranzystora bipolarnego mówi, że: IC = βib, gdzie 10<β<1000.

25 Tzw. prosty model tranzystora jako wzmacniacza prądowego mówi, że z dobrym przybliżeniem prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy: IC = βstib UBE 0.7 V W rzeczywistości β zależy od: natężenia prądu kolektora, napięcia kolektoremiter, temperatury, a nawet od egzemplarza tego samego typu tranzystora. Ponadto w modelu prostym przyjmujemy, że UBE = const. = okło 0.6 V, tranzystor sterowany jest prądowo, IE = IC + IB = IB(1 + β). Gdy tranzystor pracuje jako wzmacniacz, złącze baza-emiter jest polaryzowane w kierunku przewodzenia. Bariera potencjału na tym złączu jest zredukowana. W efekcie mamy znaczny prąd w elementach: emiter - bardzo cienka baza (rzędu µm) kolektor. W obwodzie bazy płynie znikomy prąd gdyż prawie wszystkie nośniki ładunku wstrzykiwane z emitera do bazy szybko znajdują się w obszarze złącza baza-kolektor i tu są przyspieszane do kolektora. Przypomnijmy, że w cienkiej bazie prawdopodobieństwo rekombinacji i rozproszenia nośników jest małe co powoduje, że około 99% prądu emitera przechwytuje kolektor. Pozostałe około 1% prądu emitera stanowi prąd w obwodzie bazy. O znacznym wzmocnieniu decyduje fakt, że małe amplitudy UB i IB powodują duże amplitudy UC i IC (bo IC = βstib a UC = RCIC). Czyli mała amplituda mocy w obwodzie bazy wywołuje dużą (wzmocnioną) amplitudę mocy w obwodzie kolektora!

26 Przykład 9.2. Wiedząc, że woltomierze w podanym układzie pokazały napięcia: V1 = UB = 2 V, V2 = UE = 1,3 V oraz V3 = UC = 6 V wykazać, że tranzystor jest otwarty i obliczyć wartość wzmocnienia prądowego β. Rozw. Stan otwarcia tranzystora wynika z faktu, że UBE = UB U E = 2-1,3 = 0,7 V. Stan otwarcia wynika też z faktu, że napięcie kolektora jest znacznie niższe od UCC co wskazuje na znaczny prąd kolektora i spadek napięcia na RC. β = IC/IB, IB = (UBB UB)/RB = (4 2)/50000 = 40 µa, IC = (UCC UC)/RC = (12 6)/1000 = 6 ma, β = IC/IB = (6 ma)/(40 µa) = 150. Gdyby UBB obniżyć z 4 V do poniżej 0,7 V tranzystor przeszedłby do stanu odcięcia (nie przewodzenia prądy bazy i kolektora zbliżyłyby się do zera). Gdyby natomiast woltomierz V3 wykazał niskie napięcie UC, przy którym UCE = UC UE = 0,3 V, ta graniczna i bliska zeru wartość UCE oznaczałaby stan nasycenia tranzystora (Ciekawe, że dla UB = 0,7 V napięcie UC = 0,3 V < UB).

27 Uproszczony model Ebersa-Molla mówi, że: IC = IS[exp(UBE/UT) 1] Poprawniejszym modelem tranzystora bipolarnego jako elementu transkonduktancyjnego jest model Ebersa-Molla. W tym modelu wykorzystujemy zależność prądu kolektora od napięcia między bazą a emiterem UBE: IC = IS[exp(UBE/UT) - 1] (jest to uproszczone równanie EbersaMolla, w dalszym uproszczeniu składnik -1 jest pomijany gdy IC >> IS). gdzie: UT = kt/q (= 25.3mV w temperaturze pokojowej), IS prąd wsteczny nasycenia zależny od danego egzemplarza tranzystora i jego temperatury. Ta zależność jest tak silna, że IC rośnie o 9% przy wzroście temperatury o 1 C i niezmienionym napięciu UBE (pomimo tego, że w UT = kt/q T jest temp. bezwzględną). Model Ebersa-Molla jest bardziej przydatny do opisu dynamiki przełączania tranzystora w elektronice cyfrowej (dwustanowej). Przy pomocy modelu E-M można oszacować niektóre parametry tranzystora niezależne od typu.

28 Przykładowa rodzina charakterystyk tranzystora bipolarnego Efekt Early ego: niezerowy wpływ napięcia UCE na prąd kolektora przy stałym napięciu UBE. Powoduje to odchylenia od idealnego źródła prądowego. (UBE też zależy od UCE przy stałym IC). UBE UCE

29 . Widać, że opór dynamiczny re ma małą wartość i głównie zależy od natężenia prądu IC. Zależność re od temperatury ukryta jest w wartości UT. Uwaga. W odróżnieniu od oporników czy kondensatorów zwanych dwójnikami, tranzystory podobnie jak wiele układów (np. filtry) zaliczamy do czwórników. Dla czwórników wyróżniamy dwie wielkości wejściowe U1 i I1 oraz dwie wyjściowe: U2 i I2. Zauważmy, że przyłożenie napięcia do jakiegoś układu wymaga dwóch zacisków. Podobnie jest z odebraniem np. wzmocnionego napięcia. Fakt ten w naturalny sposób przyczynia się do stosowania teorii czwórników w elektronice a w szczególności do opisu wzmacniaczy. Symbol: h21e to właśnie element tzw. macierzy He.

30 W przybliżeniu liniowym (tu istotne jest małe otoczenie punktu spoczynkowego Q - quiescent point) stosowane są tzw. parametry hybrydowe:

31 Proste układy tranzystorowe Źródło prądowe Negator Suma napięć: stałego 5.6 V i spadku napięcia na RE polaryzują złącze BE. Zatem RE realizuje tzw. ujemne sprzężenie zwrotne stabilizujące prąd obciążenia. 5V na we. daje 0.3 V na wy. Zaś poniżej 0.6V na we. daje 5V na wy. Wyłącznik żarówki W przełączniku mamy prąd o dwa rzędy wielkości mniejszy od prądu żarówki. Oszczędzamy przełącznik.

32 Charakterystyka przejściowa tranzystora IC = IC(UBE) --> Charakterystyka przejściowa układu Uwy = Uwy(Uwe).

33 Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn i ograniczenie wyboru obciążenia RC. Prosta obciążenia IC = (UCC - UCE)/RC powinna leżeć poniżej hiperboli Pmax = IC UCE. linia odcięcia oba złącza nie przewodzą. Linia nasycenia gwałtowny spadek wsp. β i utrata liniowości przy minimalnym napięciu UCE.

34 Parametry i charakterystyki tranzystorów bipolarnych Od współczynnika βst należy odróżniać współczynnik małosygnałowy β. β = IC/ IB przy UCE = const. natomiast βst = IC/IB Gdy tranzystor pracuje z małymi sygnałami, np. w układzie wzmacniacza liniowego wówczas charakterystyki w otoczeniu punktu pracy mogą być zastąpione stycznymi, zwanymi parametrami małosygnałowymi lub różniczkowymi. Oto kilka przykładów: 1. Transkonduktancja: gm = IC/ UBE = ( IC/ IBE)( IB/ UBE) = hfe/hie w przybliżeniu gm= IC/UT=IC/25mV, dla IC=2,5 ma gm 0,1 S. 2. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wyjściowa: rce = UCE/ IC przy UBE = const. 3. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wejściowa: rbe = UBE/ IB przy UCE = const. Co z tym można zrobić? Można wyliczyć np.: wzmocnienie k u= gmrc, rbe może być częścią dzielnika sygnału wejściowego a rce częścią dzielnika sygnału wyjściowego.

35 Wzmacniacze Wzmacniacze są urządzeniami, w których energia ze źródeł zasilania (zasilaczy) jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego przy pomocy sygnału sterującego. Zwykle do wejścia wzmacniacza podawana jest suma składowej stałej i składowej zmiennej: u(t) = U 0 + UZMIeNNE, i(t) = I0 + IZMIENNE. Składowa zmienna jako sygnał wzmacniany zwykle jest znacznie mniejsza od składowej stałej. Składowa stała pełni tylko rolę pomocniczą wyznaczając punkt pracy wzmacniacza tranzystorowego. Wyróżniamy trzy typy wzmacniaczy: WE, WB i WK. Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE) jest dzielnikiem napięcia utworzonym przez impedancję obciążenia i sterowaną (a zatem zmieniającą się) impedancję tranzystora między kolektorem a emiterem. Wyrażenie : wspólny emiter oznacza, że emiter jest wspólną dla wejścia i dla wyjścia (uziemioną) elektrodą tranzystora. Sygnałem wyjściowym (wzmocnionym) jest napięcie i prąd kolektora. Zmienna składowa napięcia kolektora (określanego względem zerowego potencjału masy i uziemionego emitera) ma fazę przeciwną (tj. odwróconą o 180 o) do fazy sygnału sterującego - wejściowego. Wzrostowi potencjału na bazie (dodatnia amplituda składowej zmiennej sygnału sterującego ube) odpowiada zmniejszenie impedancji tranzystora i napięcia na kolektorze u CE. Wzmocnienie prądowe wynosi h21e = β. Przy znacznym wzmocnieniu napięciowym (zależnym od obciążenia) wzmocnienie mocy jest rzędu β2.

36 Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (WK). Układy WK często zwane są wtórnikami emiterowymi. Kolektor jest tu elektrodą wspólna dla składowych zmiennych ponieważ jest zwarty z ziemią poprzez dużą pojemność zasilacza (stałość napięcia UCC). To znaczy, że na kolektorze jest tylko stały potencjał brak składowej zmiennej. Obciążenie znajduje się między emiterem a ziemią i wraz z tranzystorem stanowi dzielnik napięcia. Istotne jest, że ten układ nie odwraca fazy, powtarza zmiany napięcia wejściowego i powiększa prąd wejściowy β-razy (wzmocnienie mocy też wynosi β). Brak wzmocnienia napięciowego ( Uwy/ Uwe jest o włos mniejsze od 1 bo re nie jest = 0) wyjaśnia nazwę: wtórnik emiterowy układ powtarza napięcie zmienne. Potencjał na bazie jest cały czas większy od potencjału na emiterze o około 0.6 V (0.6 do 0.7 V) ponieważ tranzystor jest cały czas otwarty. Zatem potencjał emitera wędruje za potencjałem bazy cały czas będąc przesuniętym o 0.6 V potrzebne do otwarcia złącza BE. Ponieważ UBE=Uwe-URobc mamy do czynienia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym redukującym wzmocnienie napięciowe. Bardzo ważnym jest, że Rwe = βrobc, gdyż prąd wyjściowy jest β-krotnie większy od prądu wejściowego. Dzięki temu układ WK jest swoistym transformatorem impedancji i pozwala na dopasowanie małej impedancji obciążenia do dużej impedancji źródła sygnału sterującego (wzmacnianego prądowo).

37 Wzmacniacz o wspólnej bazie WB. W tym układzie potencjał bazy jest stały a sygnałem sterującym (wzmacnianym) jest zmieniany potencjał emitera. Układ ten nie zmienia fazy sygnału wzmacnianego przy niskich częstotliwościach. Tj. wyjściowy sygnał ma fazę zgodną z sygnałem wejściowym. Wzmocnienie prądowe wynosi prawie 1 (jest około 1% mniejsze od 1). Wzmocnienie napięciowe jest duże i zależy od RC. Istotną zaletą tego układu jest mała pojemność (pasożytnicza) Cwe-wy = CEC, która faworyzuje go przy wzmacnianiu sygnałów o wysokich częstotliwościach. Wadą jest mała rezystancja wejściowa (I E jest β + 1 razy większy od IB). Układ ten mając dużą impedancję wyjściową może dopasowywać (przeciwnie do układu WK) dużą impedancję obciążenia do małej impedancji źródła. Uwaga. Przy doborze tranzystora katalogowa graniczna częstotliwość tranzystora ft powinna być około 100 razy większa niż przewidywana granica pasma przenoszenia wzmacniacza WE. W przypadku wzmacniaczy WK i WB wymagania są znacznie mniejsze i ft może być nawet porównywalna z fg.

38 Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE). Rezystory R1 i R2 stanowią dzielnik napięcia zapewniający spoczynkowy punkt pracy układu (określają potencjał bazy). C1 i C3 są pojemnościami sprzęgającymi przekazującymi tylko składową zmienną sygnału pomiędzy kolejnymi stopniami układu. C1 jest kondensatorem wejściowym a C3 wyjściowym dla naszego układu. RE i CE zapewniają silne ujemne sprzężenie zwrotna dla najniższych częstotliwości stabilizując tym sposobem pracę układu. RC jest opornikiem kolektora na którym odkłada się zmienny spadek napięcia o amplitudzie wielokrotnie większej (efekt wzmocnienia) od amplitudy sygnału podawanego na bazę. Faza tego sygnału jest przesunięta o 180 o (bo wyższy potencjał na bazie wymusza większy prąd kolektora i przez to większy spadek U na RC i niższy potencjał na kolektorze). Przed wykonaniem wzmacniacza należy wybrać tranzystor i poznać jego parametry z odpowiedniego katalogu. Znając parametry dobieramy wartości Ucc i Ic (Ic = Ispoczynkowe). Rc dobieramy tak aby Ic Rc = Ucc/2. RE dobieramy tak aby Ic RE = około 1V (dla stabilności temperaturowej). R1 i R2 dobieramy tak aby: UB=VE+0,6V 1,6V oraz RT (R Thevenina) tego dzielnika nie była większa od 0,1 Rwe tj. RT < 0,1 β RE. czyli R1 0,1 β RE. O doborze pojemności decyduje pasmo częstotliwości wzmacnianych sygnałów.

39 Klasy wzmacniaczy. Ze względu na polaryzacje bazy tranzystora można wyróżnić 4 tradycyjne klasy wzmacniaczy: 1) Klasa A, 2) Klasa B, 3) Klasa AB, 4) Klasa C.

40 Klasy wzmacniaczy.

41 Klasy wzmacniaczy. Wzmacniacz klasy C (do wzmacniania sygnałów radiowych). Mimo zdeformowanego sygnału w postaci prądu kolektora obwód rezonansowy C2, R2, L1 odtwarza sinusoidalny przebieg.

42 Klasy wzmacniaczy. Wzmacniacz klasy D to wzmacniacz impulsowy (duża wydajność ponad 80%)

43 Efekt Millera Polega na tym, że pojemność między wejściem a wyjściem dowolnego odwracającego fazę wzmacniacza jest elementem ujemnego sprzężenia zwrotnego. Takie pojemnościowe ujemne sprzężenie zwrotne osłabia, a dla wyższych częstotliwości nawet eliminuje wzmocnienie. We wzmacniaczu o wspólnym emiterze pojemność CCB osłabia wzmocnienie w takim stopniu jak pojemność wejściowa o wartości: Cwej. = CCB(1+kU), która z opornością wewnętrzną źródła stanowi filtr dolnoprzepustowy. Sposoby eliminacji efektu Millera Jednowejściowy wzmacniacz różnicowy

44 Przykład 9.4. Wyznaczyć rezystancję rezystora Rc oraz zakres zmian napięcia wyjściowego w układzie termometru diodowego. Dane; Ucc = 12 V, β = 180; UBE = 0,7V RS = 500 Ω RB = 10 k Ω. Zakres zmian UD 0,92 1,26 V przy zmianie T C. Rozw. Musimy tak dobrać elementy układu aby dla środkowej wartości zmian napięcia diody 1,1V wyjściowe napięcie wynosiło też środkową wartość napięć kolektora czyli 6 V: połowę z 12 V (dla minimalnych zniekształceń). Obliczamy parametry punktu spoczynkowego Q: IBQ = (UDQ UBEQ)/RB = = (1,1-0,7)/10000 = 40 µa. Stąd ICQ = β IBQ = = 7,2 ma, zatem RC = (UCC UCEQ)/ICQ = (12 V 6 V)/7,2 ma = 0,833 kω. Uout gr1 = UCC RCβIBgr1 = ((1,26-0,7)/10000 = 3,6 V Uout gr2 = UCC RCβIBgr2 = ((0,92-0,7)/10000 = 8,7 V Odp. RC = 833 Ω, Zakres napięć wyjściowych: 3,6 8,7 V. Rezystancja wewnętrzna woltomierza jest duża (zwykle więcej niż 1 MΩ) zatem wpływ tej rezystancji na wskazania woltomierza jest do zaniedbania.

45 Po roku 1990 pojawiły się nowe technologie tranzystorów, oparte na takich materiałach jak: InP, SiC, GaN i innych (ostatnio nawet z grafenu), co zapewniło aplikacje w znacznie szerszym zakresie częstotliwości, nawet GHz.

46 Oznaczenia tranzystorów niestety nie są jednolite. Tu pozostaje zaglądanie do katalogów producentów tranzystorów. Obecnie dobrym ułatwieniem jest internet. Można tam oczywiście wyszukać niemal wszelką informację o tranzystorach, pewnego sprytu wymaga jednak dobór haseł w wyszukiwarkach. Przykładowe strony: Wiele firm stosuje jednak pewne standardowe oznaczenia: Zwykle pierwsze litery oznaczają producenta. Rodzina układów bipolarnych z początkiem nazwy: 74 stosuje:74l - Low power slow, H - High speed, S Schottky, LS - Low Power Schottky, AS - Advanced Schottky, ALS - Advanced Low Power Schottky, F - Fast (similar to AS).

47 Przykładowe dane techniczne tranzystora

48

49 Wartości graniczne

50

51

52 Tranzystory polowe FET (field effect transistors) W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych tranzystory polowe są sterowane polem elektrycznym, w zasadzie bez prądu a zatem bez poboru mocy (zależnie od typu tranzystora oporność wejściowa może wynosić 10 8 Ω do około 1014 Ω). Ta cecha powoduje, że tranzystory polowe są jak dotąd niezastąpione w budowie układów o dużej skali Integracji - scalenia (LSI) jak mikroprocesory, pamięci itp. Elektrodą sterującą jest bramka G (gate), której potencjał wpływa na rezystancję między dwoma innymi elektrodami: drenem D (drain) i źródłem S (source). RDS on = 0,03 do kilkudziesięciu Ω, RDS off = wiele MΩ, Moc tracona na ciepło: Pstrat = I2RDS on Przykładowy obwód z tranzystorem polowym

53 W tranzystorach polowych szerokość przewodzącego kanału w półprzewodniku regulowana jest polem elektrycznym. Tranzystory FET można zatem traktować jako oporniki sterowane napięciem lub jako źródła prądowe sterowane napięciem. Elementem sterującym jest elektroda zwana bramką. Prąd w tej elektrodzie, odizolowanej warstwą tlenku lub szerokim (bo zaporowo spolaryzowanym) złączem pn od reszty tranzystora, jest znikomy. Potrzebne jest tylko ulokowanie niewielkiego ładunku aby uzyskać na bramce pożądany potencjał. Kanał przewodzący w tranzystorze polowym może być dwojakiego rodzaju: typ n (przewodnictwo elektronowe) albo typ p (przewodnictwo dziurowe). (Kanał w postaci prawie dwuwymiarowej warstwy mobilnych nośników ładunku wykazuje interesujące własności kwantowe, szczególnie widoczne w niskich temperaturach i silnych polach magnetycznych).

54 Tranzystor polowy złączowy JFET Jest typem tranzystora, w którym prąd między elektrodami S i D (źródła i drenu) jest kontrolowany napięciem przyłożonym do trzeciej elektrody G (bramki). Na rysunku mamy przykład tranzystora JFET z kanałem przewodzenia typu n (pomiędzy źródłem i drenem). Kanał ten jest otoczony materiałem typu p + co zapewnia istnienie złącza pn, które polaryzowane jest zaporowo. Pamiętamy, że polaryzacja zaporowa oznacza powiększanie obszaru pozbawionego mobilnych nośników prądu. Silniejsze domieszkowanie bramki oznacza, że po stronie kanału obszar nieprzewodzący jest większy co pociąga za sobą szybki zanik kanału w wyniku polaryzacji złącza. Napięcie VGS(off), przy którym znika kanał i prąd drenu jest wyzerowany nazywamy napięciem odcięcia.

55 Tranzystory JFET przy zerowym napięciu sterującym są otwarte - inaczej niż u bipolarnych. Różny od bipolarnych jest też zakres napięć UGS 4 V od napięć UBE 0,1 V! To oznacza mniejszą transkonduktancję w tranzystorach polowych.

56 MOSFET (metal-oxide-semiconductor FET) Czy widać podobieństwo w działaniu FET-ów i triody?

57 6 typów tranzystorów polowych Cztery pierwsze FET-y normalnie (przy U GS = 0) przewodzą, przewodzenie znika dopiero przy znacznym IUGSI. Dwa ostatnie przy małym IUGSI nie przewodzą. Mniej strome niż u tranzystorów bipolarnych!

58 FET Najważniejsze parametry: UGS(OFF) - Napięcie odcięcia bramka-źródło, czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu UDS wyzerować prąd drenu. UGSmax - Dopuszczalne napięcie bramka-źródło. Typowe wartości: ±15...±20 V, UP (UGSth) - Napięcie progowe, które należy doprowadzić dla otwarcia (zamknięcia) tranzystora. IDSS - Prąd nasycenia w drenie przy napięciu UGS = 0 i określonym napięciu UDS. ID(OFF) - Prąd wyłączenia - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem wyłączającym tranzystor. RDS(ON) - Rezystancja statyczna włączenia (rezystancja między drenem a źródłem) tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki. Typowo 0,03-30 Ω. RDS(OFF) - Resystancja statyczna wyłączenia (rezystancja między drenem a źródłem) tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia. UDSmax - Dopuszczalne napięcie dren-źródło. IDmax - Dopuszczalny prąd drenu. Ptot max - Dopuszczalne straty mocy. IGmax - Dopuszczalny prąd bramki. gm = did/dugs Transkonduktancja. gds = did/duds Konduktancja wyjściowa. ku = gm/gds

59 4 typy tranzystorów polowych komercyjnie dostępnych 3 typy tranzystorów polowych najczęściej stosowane w praktyce

60 Dla tranzystorów polowych poniżej progu otwarcia ID exp(vgs), ale powyżej progu ID = k(vgs - VP)2 co daje transkonduktancję: gm = ID/ UGS = 2(k ID)1/2 Jest ona mała (około 4 ms dla charakterystyki przejściowej obok) w porównaniu z gm = IC/25mV dla tranzystorów bipolarnych. Przykładowa charakterystyka wyjściowa pokazuje dwa obszary zależności ID od UGS. Dla obszaru liniowego: ID = 2k[(UGS - UP)UDS - (UDS)2/2] (tu robimy rezystory). Dla obszaru nasycenia: ID = k(ugs - UP)2 (tu robimy źródła prądowe).

61 Źródło prądowe z tranzystora JFET. Aby zrozumieć stabilizację prądu płynącego przez obciążenie wystarczy spojrzenie na charakterystykę ID = ID(UDS). Widać, że dla napięć UDS powyżej około 3 V prąd ID jest prawie stały. Niestety wartość tego prądu zależy od egzemplarza tranzystora. Dodając opornik R do obwodu źródła S możemy dobrać pożądaną wartość stabilizowanego prądu (poprzez automatyczne polaryzowanie bramki - samopolaryzacja).

62 Wtórniki źródłowe (wzmacniacze o wspólnym drenie)

63 Wzmacniacz o wspólnym źródle. Ze względu na małą transkonduktancję tranzystorów polowych b.dobrym rozwiązaniem jest układ wzmacniacza WE z tranzystorem bipolarnym, na wejściu którego znajduje się wtórnik źródłowy. Całość ma olbrzymią impedancję wejściową i dobrą transkondutancję.

64 Zasada działania inwertora (negatora) CMOS. Komplementarna para tranzystorów polowych zapewnia minimalną (niemal zerową) moc traconą na podtrzymanie stanu logicznego (0 lub 1). W obu przypadkach nie ma prądu (tj. przepływu ładunku) do masy. Dla sterującego stanu wysokiego mamy na wyjściu stan niski: kanał w T1 zatkany a w T2 otwarty. Dla stanu niskiego na wejściu układu; mamy kanał w T1 otwarty a w T2 zamknięty. W CMOS moc tracona jest tylko w momencie przełączania. To daje przewagę tranzystorom polowym w wielu zastosowaniach zwłaszcza przy dużej skali integracji.

65 Uwaga! Ciało ludzkie to około 100pF pojemności elektrycznej, która może ładować się (potarcie o dywan, koszulę itp.) do napięć rzędu 10kV. Ładunek taki przebija i niszczy cienką warstwę tlenku w tranzystorach polowych MOS! Zatem nie dotykamy zacisków tranzystorów polowych (i kości z takimi tranzystorami) przed ich wlutowaniem do układu! Przełącznik analogowy klucz. Ważne parametry klucza to: Rezystancje w stanie włącz. i w stanie wyłącz., zakres napięć, czasy przełączania.

66 Multiplekser analogowy Przełączniki (klucze) z tranzystorami polowymi znalazły swoje ważne zastosowanie w multiplekserach. W multiplekserze na pojedyncze wyjście przechodzi sygnał z tego wejścia, którego adres jest aktualnie ustawiony (cyfrowo) na szynie adresowej.

67 Elektronika lista zadań 9 1) Oblicz wzmocnienie napięciowe ku układu przedstawionego na rys. wiedząc, że Rs = 1 Ω, ri = 24 Ω, rw = 100 Ω, Ro = 5 kω a µ = Wiedząc, że woltomierze pokazały napięcia: V1 = 2 V, V2 = 1,3 V i V3 = 8 V. Oblicz wartość wzmocnienia prądowego β. 3. Oblicz spoczynkowe wartości IB, IC, UCE oraz Wzmocnienie prądowe β. Dane: R1 = 100 kω, R2 = 50 kω, RC = 5 kω, RE = 3kΩ, UCC = 15 V, UBE = 0,7 V. dane triody: ρa = 200 Ω, µa = 100 oraz wartość Ra = 1,8 kω oblicz wzmocnienie napięciowe układu ku: 4. Mając