ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKAEMIA ÓRNICZO-HTNICZA IM. TANIŁAWA TAZICA W KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONICZNE dr inż. iotr ziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 51; tel , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl ELEMENTY WZMACNIAJĄCE TRANZYTORY OLOWE ZŁĄCZOWE JFET TRANZYTORY OLOWE Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ MO TRANZYTORY BIOLARNE EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne elementy wzmacniające 1

2 ZAAY WZMACNIANIA Tranzystory mogą spełniać w układach elektronicznych wiele różnych funkcji, ale wzmacnianie stanowi jego główną cechę użytkową. W układzie wzmacniacza tranzystor przekształca słabe i zmienne w czasie sygnały na sygnały dużej mocy. Tranzystorowy człowiek aul Horowitz ztuka Elektroniki EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne elementy wzmacniające 3 TRANZYTORY ZŁĄCZOWE JFET (JNCTION FIEL EFFECT TRANITOR) EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 4

3 TRANZYTOR JFET OTAWY ZIAŁANIA I n rzy =const., w jaki sposób możemy zmieniać prąd I? W tranzystorach JFET prąd przenoszony jest przez nośniki większościowe i sterowany jest polem elektrycznym przyłożonym z zewnątrz EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 5 TRANZYTOR JFET OTAWY ZIAŁANIA I x x n = x EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 6 3

4 TRANZYTOR JFET OTAWY ZIAŁANIA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x I I n zakres liniowy EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 7 TRANZYTOR JFET OTAWY ZIAŁANIA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x I I n w pobliżu zamknięcia kanału EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 8 4

5 TRANZYTOR JFET OTAWY ZIAŁANIA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L x I I n powyżej zamknięcia kanału o zaciśnięciu kanału prąd ulega nasyceniu. Różniczkowa rezystancja kanału d/di staje się bardzo duża. EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 9 TRANZYTOR JFET WŁYW JEMNEJ OLARYZACJI BRAMKI I I n = =- =-4 EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 1 5

6 TRANZYTOR JFET WYZNACZANIE NAIĘCIA ROOWEO a W W x qn h L x n Wyznaczamy szerokość warstwy zubożonej dla x=, (zakładamy pomijalnie mały potencjał kontaktowy oraz z uwagi na koncentracje domieszek rozszerzanie się obszaru zubożonego głównie w kanale): 1 Zaciśnięcie kanału przy drenie wystąpi gdy: x a Wx h Czyli W(x=) = a. Jeżeli zdefiniujemy napięcie progowe, jako napięcie przy zamykaniu kanału, to: 1 a qn qa N EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 11 z y x TRANZYTOR JFET WYZNACZANIE RĄ REN a W h L x n dx L Różniczkowa objętość części obojętnej kanału: EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 1 x Z h( x) dx Rezystancja objętości jednostkowej: dx Z h( x) (Ρ- rezystywność kanału, Z grubość kanału) rąd I nie zmienia się wzdłuż kanału i jest związany z różniczkowym spadkiem napięcia dx na elementarnej objętości : I Zh( x) d dx zerokość h(x) w punkcie x zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału -x x x 6

7 TRANZYTOR JFET WYZNACZANIE RĄ REN zerokość h(x) w punkcie x zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału -x 1 1 x x h( x) a W ( x) a a 1 qn Wykorzystaliśmy zależności: x x qa N o podstawieniu do wzoru na prąd I, otrzymujemy: Za x 1 1 d I dx x gdzie o operacji całkowania dostajemy: I az jest konduktancją kanału L owyższe równanie jest słuszne do osiągnięcia stanu zaciśnięcia kanału, kiedy -= Wyprowadzenia przedstawiono na podstawie: rzyrządy półprzewodnikowe, Ben. treetman EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 13 TRANZYTOR JFET WYZNACZANIE RĄ REN rzy założeniu, że prąd nasycenia pozostaje równy wartości osiągniętej przy zaciśnięciu kanału otrzymujemy: I la małych napięć <-, prąd drenu jest liniową funkcją w liniowym zakresie pracy tranzystora: I 1 la napięć >-, tranzystor pracuje w zakresie nasycenia: I I 1 EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 14 7

8 TRANZYTOR JFET RZECZYWITE CHARAKTERYTYKI RĄ REN i zakres liniowy u-u= zakres nasycenia u= zakres przebicia u=- u 1/λ I u 1 I 1 u - prąd drenu w zakresie nasycenia przy uwzględnieniu skrócenia kanału - współczynnik modulacji długości kanału: opisuje skrócenie kanału pod wpływem napięcia i spowodowany tym wzrost prądu drenu I EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 15 TRANZYTOR JFET MOEL WIELKOYNAŁOWY r C I r C EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 16 8

9 TRANZYTOR JFET ROZAJE RZEWONICTWA Tranzystor z kanałem typu n i n u u I i i u-u= u= u u=- u EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 17 TRANZYTOR JFET ROZAJE RZEWONICTWA Tranzystor z kanałem typu p i n+ p u u i u i u u=- I u= u-u= EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 18 9

10 TRANZYTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY R C1 we u we I R C wy u wy unkt pracy tranzystora punkt na ch-ce wyjściowej o współrzędnych (, I ) Charakterystyka wyjściowa Równanie dla oczka wyjściowego: I R po przekształceniu (I =f( )): I 1 R R I [ma] 1 5 =V =-,5V =-1V =-1,5V =-V [V] EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 19 TRANZYTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY WZMACNIANIE I [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 1

11 TRANZYTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY RZETEROWANIE I [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy R C wy EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 1 TRANZYTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY OI ANALITYCZNY rąd drenu w nasyceniu to: 1 (pomijając skrócenie kanału dla uproszczenia) (1) I I Całkowite napięcie na bramce (t): u u () u I u podstawiając () do (1): i I 1 I 1 1 u I u (3) składowa stała I składowa zmienna i d la odpowiednio małych amplitud napięcia wejściowego u we można dokonać linearyzacji ch-k tranzystora. Mówimy wtedy o analizie małosygnałowej i modelu liniowym tranzystora. Warunek małosygnałowości napięcia wejściowego wynika z takiego doboru u we, aby drugi człon składowej zmiennej był pomijalnie mały (pamiętając, że u we = u ): I u u I u (4) 1 po przekształceniach: (5) u warunek małosygnałowości EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 11

12 TRANZYTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY OI ANALITYCZNY c.d. Zatem, uwzględniając warunek małosygnałowości można całkowity prąd drenu zapisać jako liniową funkcję u : I i I u (6) 1 Warunek małosygnałowości pozwala na pominięcie składowej zależnej od u. ozostaje tylko składowa zmienna proporcjonalna do napięcia u zatem słuszne jest mówienie o linearyzacji charakterystyk i modelu liniowym tranzystora. Jeśli w równaniu (6) współczynnik proporcjonalności przy u nazwiemy przez g m to prąd dreny można zapisać jako: i I gmu (7) Współczynnik g m ma wymiar [A/V] i zależy od punktu pracy tranzystora oraz jego własności fizycznych reprezentowanych przez i I. I arametr g m to transkonduktancja: gm 1 (8) Rozważano tu transkonduktancję dla zakresu nasycenia, w takim zakresie pracuje tranzystor we wzmacniaczu. Czytelnik sam przeanalizuje przypadek pracy tranzystora w zakresie liniowym korzystając z podanej dalej definicji transkonduktancji. EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 3 TRANZYTOR JFET ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz.1 Transkonduktancja (z def.): g m I const. [A/V] Interpretacja graficzna Nachylenie stycznej do ch-ki przejściowej w punkcie pracy tranzystora. CH-KA RZEJŚCIOWA =const. 1 I [ma] I Transkonduktancja opisuje własności wzmacniające tranzystora 5-3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] punkt pracy EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 4 1

13 TRANZYTOR JFET JAKO RELOWANY REZYTOR regulowany dzielnik sygnałów zmiennych 1 R R 1 C 1 we R u ds u we R u R ds ' dzielnik: u we ' R ' R1 R uds R1 u u we ds obowiązuje przy R >> R Czy: R = R? a, może: R = r ds? EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 5 TRANZYTOR JFET JAKO RELOWANY REZYTOR 1 R R R u ds R1 we u we C1 Rezystancja: statyczna R I dynamiczna uds rds i ds lub inaczej (z def.): rds I I I [ma] =V R = 6V/8,mA R = (, I )=(6V; 8,mA) =-,5V bardzo małe nachylenie r ds - bardzo duże =-1V 5 =-1,5V =-V Charakterystyka wyjściowa [V] EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 6 13

14 TRANZYTOR JFET JAKO RELOWANY REZYTOR R R1 we C1 I [ma] =V 1 R R u ds u we 1 =-,5V Rezystancja: statyczna R I dynamiczna uds rds i lub inaczej: rds I ds I R = 1V/6,5mA R = 154 r ds = 1V/5,5mA r ds = 181 W zakresie liniowym: R R W zakresie nasycenia: R = r ds 4 6 EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 7 5 (, I )=(1V; 6,5mA) =-1V =-1,5V =-V [V] : JFET - regulowany rezystor : JFET - wzmacniacz TRANZYTOR JFET ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz. Transkonduktancja (omówiona wcześniej) Konduktancja wyjściowa (drenu) z def. g ds I const. Rezystancje szeregowe źródła i drenu (r dd i r ss ) (często pomijane na schematach ze względu na b. mały wpływ) ojemności bramka-dren C gd i bramka-źródło C WAA: konduktancje są opisane różnymi zależnościami i mają różne wartości w zakresie liniowym i nasycenia EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 8 14

15 TRANZYTOR JFET CHEMAT MAŁOYNAŁOWY C gd u C g m g ds EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 9 TRANZYTOR JFET ORANICZENIA CZĘTOTLIWOŚCIOWE Częstotliwość odcięcia f T To taka częstotliwość, przy której prąd wejściowy równa się prądowi źródła sterowanego z modelu małosygnałowego, przy zwartym wyjściu. u i we C Cgd gm gds rzy zwartym wyjściu prąd wejściowy: i j( C C ) u we rzy częstotliwości odcięcia f T moduł prądu wejściowego ma być równy modułowi prądu źródła sterowanego, zatem: i ( C C ) g Ostatecznie: f T we T T f ( C gm ( C Cgd) C gd gd gd ) g m m EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne tranzystor JFET 3 15

16 o co to wszystko? JAKI JET CEL MOELOWANIA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V a R =1k i =1V. R CH-KA RZEJŚCIOWA I [ma] R C I C ,5 - -1,5-1 -,5 [V] I = 1mA = -3V EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 31 o co to wszystko? JAKI JET CEL MOELOWANIA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V a R =1k i =1V. R R C I I = 1mA = -3V C1 =V 1 =-,5V Czy tranzystor pracuje w zakresie nasycenia? > Równanie dla oczka wyjściowego: I R po przekształceniu: 1 I R R i podstawieniu danych: I 1 1 [ma] [V] la podanych danych jeśli: > (-1V)-(-3V), czyli >, to tranzystor pracuje w nasyceniu. Ten warunek jest spełniony tranzystor pracuje w nasyceniu EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 3 5 4,7V =-1V =-1,5V =-V 16

17 o co to wszystko? JAKI JET CEL MOELOWANIA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V a R =1k i =1V. R R C Tranzystor zastępujemy schematem (modelem) małosygnałowym dla małych częstotliwości można pominąć pojemności C1 gm gds R R R C R C C1 C1 gm gds EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 33 o co to wszystko? JAKI JET CEL MOELOWANIA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. oprzedni schemat przerysowano poniżej: R R C WY C 1 tranzystor g m g ds dla sygnałów zmiennych zwieramy pojemności oraz źródła prądu stałego (ich R wew = ) EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 34 17

18 o co to wszystko? JAKI JET CEL MOELOWANIA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. o usunięciu niepotrzebnych elementów i ponownym przerysowaniu: R tranzystor R WY gm gds Wzmocnienie u we R g m g ds R u wy napięciowe u ku u wy we ozostaje już tylko wyliczenie napięć wej. i wyj., ale po kursie teorii obwodów, to potrafi każdy student. EiT 14 r. &IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 35 18