Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2012

Transkrypt

1 ndywidualna Pracownia lektroniczna 202 Wykłady czwartek sala 7, wtorek sala 09 na Pasteura adanie diod 2-X półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy yfrowe układy scalone 9-X X X Wzmacniacze operacyjne. 6-X Stabilizator napięcia 8-X Zastosowanie układów FPGA w budowie aparatury pomiarowej lektroniczna aparatura pomiarowa 20-X X adanie diod półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy Ćwiczenia V piętro Pasteura 4-X X X yfrowe układy scalone 25-X X X Wzmacniacze operacyjne. 5-X Stabilizator 20-X X Konsultacje 29-X Zaliczenie-egzamin 4-X TRANZYSTORY POLARN ZŁĄZO 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: PRZYKŁAD STRKTRY TRANZYSTORA PLANARNGO

2 Tranzystor miter (n) Kolektor (n) aza (p) 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 Φ baza n emiter p Φ 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 Φ - Φ 3

4 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 Φ- Φ Tranzystor npn działa analogicznie przy odwrotnej polaryzacji Kierunek przepływu prądu jest przeciwny; nośnikami prądu emitera są elektrony złącze - złącze - kolektor baza emiter Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym prąd kolektora prąd emitera prąd bazy prąd rekombinacji elektronów w emiterze prąd rekombinacji dziur w bazie Prąd emitera - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombinacyjne: niewielka 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 odpowiednim poziomie 4

5 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 Φ - Φ - - Zachodzi relacja: oraz prąd jest proporcjonalny do prądu Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora: β h 2 zwykle β 00, o ile zewnętrzne źródła zezwalają 0.5 A ma harakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora P Prąd kolektora narasta β-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) 5

6 WZMANAZ TRANZYSTORO Wzmacniacz to układ elektroniczny, w którym energia z układu zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego ZASLAN Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego JŚ JŚ PROWADZN WSPÓLN Wzmacniacz tranzystorowy specjalny, sterowany dzielnik napięcia zasilającego Jednym z rezystorów w tym dzielniku jest tranzystor Trzy podstawowe układy wzmacniające z tranzystorem bipolarnym: zasilanie o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie nne wyspecjalizowane wzmacniacze: są modyfikacjami, ewentualnie kombinacjami układów podstawowych. 6

7 zasilanie WŁASNOŚ WZMANAZY o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy kształt sygnału wejściowego (sterującego): u (t) cos(ωt) 0 podkład stały 0 składowa zmienna harmoniczna o amplitudzie 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 Przypomnienie: β ( β ) Wzmacniacz o wspólnym emiterze: prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd kolektora > β duże wzmocnienie prądowe * R L o wspólnym emiterze Dla dużego oporu rezystora następuje na nim duży spadek napięcia, a więc duże wzmocnienie napięciowe duże wzmocnienie mocy zachodzi odwrócenie fazy napięcia wyjściowego względem wejściowego 7

8 Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (wtórnik emiterowy) - < czyli: brak wzmocnienia napięciowego prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd emitera czyli ( β ) o wspólnym kolektorze wzmocnienie prądowe jest duże zgodne fazy sygnału wyjściowego i wejściowego Wzmacniacz o wspólnej bazie: prąd wejściowy prąd emitera: ( β ) prąd wyjściowy prąd kolektora: β β β wzmocnienie prądowe: < o wspólnej bazie brak wzmocnienia prądowego przy odpowiednio dużym oporze rezystora można uzyskać duże zmiany napięcia na wyjściu czyli możliwe duże wzmocnienie napięciowe napięcie wyjściowe zgodne w fazie z napięciem wejściowym 8

9 PODSMOWAN N r Wzmacniacz o: WSPÓLNYM MTRZ WSPÓLNYM KOLKTORZ WSPÓLNJ AZ Wzmocnienie napięciowe duże < duże 2 Wzmocnienie prądowe duże duże < 3 Przesunięcie fazowe Pasmo przenoszenia małe średnie duże ZNAZAN PNKT PRAY TRANZYSTORA. (ustalanie wejściowego prądu składowej stałej) efekt prostowania jednopołówkowego dla sygnałów sinusoidalnych, ponieważ tranzystor pracuje liniowo tylko wtedy, gdy napięcie przekroczy napięcie przewodzenia danego typu złącza (0.65 V) uzyskanie wzmacniania pełno-okresowego wymaga dodania stałego podkładu (stały prąd bazy) do wzmacnianego sygnału zmiennego (zmiennego prądu bazy) W czas 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). R b 2 układ wspólny emiter 9

10 STALAN OPTYMALNGO PNKT PRAY TRANZYSTORA graficzna analiza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowania: P MAX. Przestrzeń punktów pracy (, ), w jakich może znajdować się tranzystor /R jest ograniczona przez hiperbolę L maksymalnej dopuszczalnej cieplnej mocy strat tranzystora, określonej w katalogu przez producenta: P MAX * 2. Tranzystor pracuje w układzie dzielnika prosta obciążenia napięcia z rezystorem - przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem: - * (tzw. prosta obciążenia) Napięcie zasilania oraz opór dobieramy tak, by prosta obciążenia była styczna 2 do hiperboli mocy (lub przebiegała poniżej) R b 3. Odczytujemy optymalny prąd stałego podkładu 0, wyznaczamy wartość opornika R b z r-nia : -0.65V 0 * R b Rb R 2 PNKT PRAY 0 RL 2 układ wspólny emiter 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 < > Skutek: współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstości r bb kb eb Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez częstość graniczną f T: powyżej częstości f T współczynnik wzmocnienia prądowego β < K r bb i eb tworzą filtr górnoprzepustowy, który bocznikuje złącze baza-emiter zmniejszenie prądu sterującego tranzystor przy wysokich częstościach β 00 0, 0,0 częstość graniczna tranzystora : β(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: dla częstości granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze: maksymalnego 2 wy we Pasmo przenoszenia k0 k( ω) jω ω 2 / MAX g ωg 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 : stałe napięcie z zasilacza regulowane w zakresie od 0 do 0 V mierzymy za pomocą woltomierza R L 0.65V R wyznaczyć charakterystyki ( ); parametr: prąd bazy wykreślić rodzinę charakterystyk tranzystora. 0.5 A 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 zmienny sygnał sterujący bazą napięcie na kolektorze Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza ( ) Wejście układu: sygnał sinusoidalny o częstości około 000 Hz Mierzymy ( ) w całym zakresie mierzalnych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud, dla których wzmacniacz pracuje liniowo. Dla tego zakresu wyznaczamy wzmocnienie wzmacniacza k, dopasowując do danych doświadczalnych prostą typu k * Wyznaczenie charakterystyki częstościowej wzmacniacza: wzmocnienie w funkcji częstości: k (ω) 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 jω ωg jω ω g Pojemność i rezystancja wejściowa wzmacniacza wzmocnienie k 2 -/2 k max wpływ sprzężenia wpływ tranzystora kład całkujący kład całkujący jω ω g 2 Pojemność i rezystancja wyjścia ω g pasmo ω g2 częstość Filtr górno- dolno-przepustowy: ωg R 2

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