ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKAEMA ÓRNCZO-HTNCZA M. TANŁAWA TAZCA W KRAKOWE Wydział nformatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONCZNE dr inż. iotr ziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. reneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 51; tel , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl ELEMENTY WZMACNAJĄCE TRANZYTORY OLOWE ZŁĄCZOWE JFET TRANZYTORY OLOWE Z ZOLOWANĄ BRAMKĄ MO TRANZYTORY BOLARNE EiT 16 r. Elementy elektroniczne elementy wzmacniające 1

2 ZAAY WZMACNANA 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 16 r. Elementy elektroniczne elementy wzmacniające 3 TRANZYTORY ZŁĄCZOWE JFET (JNCTON FEL EFFECT TRANTOR) EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 4

3 OTAWY ZAŁANA n rzy =const., w jaki sposób możemy zmieniać prąd? W tranzystorach JFET prąd przenoszony jest przez nośniki większościowe. Jak uzyskać sterowanie wartości przepływającego prądu? EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 5 OTAWY ZAŁANA Takie dziwne złącze p + -n p + n EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 6 3

4 OTAWY ZAŁANA p + n n = EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 7 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L n zakres liniowy EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 8 4

5 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L n w pobliżu zamknięcia kanału EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 9 OTAWY ZAŁANA Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki L n powyżej zamknięcia kanału o zaciśnięciu kanału prąd ulega nasyceniu. Różniczkowa rezystancja kanału d/d staje się bardzo duża. EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 1 5

6 WŁYW JEMNEJ OLARYZACJ BRAMK n = =- =-4 EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 11 WYZNACZANE NAĘCA ROOWEO Wyznaczamy szerokość warstwy zubożonej dla =, (zakładamy pomijalnie mały potencjał kontaktowy oraz z uwagi na koncentracje domieszek rozszerzanie się obszaru zubożonego głównie w kanale): a W h L n 1 W qn Zaciśnięcie kanału przy drenie wystąpi gdy: h a W Czyli W(=) = a. Jeżeli zdefiniujemy napięcie progowe, jako napięcie przy zamykaniu kanału, to: 1 a qn qa N EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 1 6

7 z y WYZNACZANE RĄ REN a W h L n d L Różniczkowa objętość części obojętnej kanału: EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 13 Z h( ) d Rezystancja objętości jednostkowej: d Z h( ) ( - rezystywność kanału, Z grubość kanału) rąd nie zmienia się wzdłuż kanału i jest związany z różniczkowym spadkiem napięcia d na elementarnej objętości (więc z prawa Ohma): Zh( ) d d zerokość h() w punkcie zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału WYZNACZANE RĄ REN zerokość h() w punkcie zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału:, zatem: h( ) a W ( ) a qn o podstawieniu do wzoru na prąd, otrzymujemy: o operacji całkowania dostajemy: 1 a 1 Wykorzystaliśmy zależności: Za d d gdzie 1 qa N az jest konduktancją kanału L owyższe równanie jest słuszne do osiągnięcia stanu zaciśnięcia kanału, kiedy = Wyprowadzenia przedstawiono na podstawie: rzyrządy półprzewodnikowe, Ben. treetman EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 14 7

8 WYZNACZANE RĄ REN rzy założeniu, że prąd nasycenia pozostaje równy wartości osiągniętej przy zaciśnięciu kanału otrzymujemy: la małych napięć <, prąd drenu jest liniową funkcją w liniowym zakresie pracy tranzystora: 1 la napięć >, tranzystor pracuje w zakresie nasycenia: 1 EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 15 RZECZYWTE CHARAKTERYTYK RĄ REN i zakres liniowy u = u zakres nasycenia u = zakres przebicia u = u 1/λ u 1 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 EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 16 8

9 MOEL WELKOYNAŁOWY r C r C 1 1 EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 17 ROZAJE RZEWONCTWA Tranzystor z kanałem typu n i n u u i i u = u u = u u = u EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 18 9

10 ROZAJE RZEWONCTWA Tranzystor z kanałem typu p i n+ p u u i i u u u = u = u = u EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 19 RZYKŁA W tranzystorze JFET z kanałem typu n zmierzono prąd =1mA dla napięcia =V i = 5V, natomiast dla = V zanotowano prąd cztery razy mniejszy. le wynosi i dla tego tranzystora? i i u = u u = Bez efektu skrócenia kanału (=) u u = u 1 1 Który wzór? To zależy od zakresu pracy tranzystora. Trzeba sprawdzić warunek. Na początek założymy zakres nasycenia. Obliczamy zyskujemy wynik: = 4 V prawdzamy warunek: u = u Wychodzi, że EiT 16 r. Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 1

11 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY R C1 we u we R C wy u wy unkt pracy tranzystora punkt na ch-ce wyjściowej o współrzędnych (, ) Charakterystyka wyjściowa Równanie dla oczka wyjściowego: R po przekształceniu ( =f( )): 1 R R [ma] 1 5 =V =-,5V =-1V =-1,5V =-V [V] EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 1 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY WZMACNANE [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 11

12 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY RZETEROWANE [ma] =V 1 =-,5V 5 =-1V =-1,5V =-V -3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] [V] we wy R C wy EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 3 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY O ANALTYCZNY rąd drenu w nasyceniu to: u 1 (pomijając skrócenie kanału dla uproszczenia) (1) i składowa stała Całkowite napięcie na bramce (t): u u () u u podstawiając () do (1): i u u (3) składowa stała składowa zmienna i d la odpowiednio małych amplitud napięcia wejściowego (u we = u ) można dokonać linearyzacji ch-k tranzystora pominąć składniki nieliniowe, ale przy jakich warunkach? 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 ): u u u (4) 1 po przekształceniach: (5) u warunek małosygnałowości EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 4 składowa zmienna 1

13 JAKO ELEMENT WZMACNAJĄCY O ANALTYCZNY c.d. Zatem, uwzględniając warunek małosygnałowości można całkowity prąd drenu zapisać jako liniową funkcję u : 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 gmu (7) Współczynnik g m ma wymiar [A/V] i zależy od punktu pracy tranzystora oraz jego własności fizycznych reprezentowanych przez 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 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: wzmacniacz 5 ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz.1 Transkonduktancja (z def.): g m const. [A/V] nterpretacja graficzna Nachylenie stycznej do ch-ki przejściowej w punkcie pracy tranzystora. CH-KA RZEJŚCOWA =const. 1 [ma] Transkonduktancja opisuje własności wzmacniające tranzystora 5-3 -,5 - -1,5-1 -,5 [V] punkt pracy EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 6 13

14 JAKO RELOWANY REZYTOR regulowany dzielnik sygnałów zmiennych 1 R R 1 C 1 R we u ds u we R u R ds ' dzielnik: u we R ' R ' uds R1 u u we R 1 ds obowiązuje przy R >> R Czy: R = R? a, może: R = r ds? EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 7 JAKO RELOWANY REZYTOR 1 R R R u ds R1 we u we C1 Rezystancja: statyczna R dynamiczna uds rds i ds lub inaczej (z def.): rds [ma] =V R = 6V/8,mA R = (, )=(6V; 8,mA) =-,5V bardzo małe nachylenie r ds - bardzo duże =-1V 5 =-1,5V =-V Charakterystyka wyjściowa [V] EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 8 14

15 JAKO RELOWANY REZYTOR R R1 we C1 [ma] =V 1 R R u ds u we 1 =-,5V Rezystancja: statyczna R dynamiczna uds rds i lub inaczej: rds ds 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 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET: regulowany rezystor 9 5 (, )=(1V; 6,5mA) =-1V =-1,5V =-V [V] : JFET - regulowany rezystor : JFET - wzmacniacz ARAMETRY MAŁOYNAŁOWE cz. Transkonduktancja (omówiona wcześniej) Konduktancja wyjściowa (drenu) z def. g ds 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 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 3 15

16 CHEMAT MAŁOYNAŁOWY C gd u C u g m g ds EiT 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 31 ORANCZENA CZĘTOTLWOŚCOWE 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 równa 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 16 r. Elementy elektroniczne tranzystor JFET 3 16

17 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. R CH-KA RZEJŚCOWA [ma] R C C ,5 - -1,5-1 -,5 [V] = 1mA = -3V EiT 16 r. Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 33 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA MAŁOYNAŁOWEO? Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli =1V, R =1k i =1V. R R C = 1mA = -3V C1 =V 1 =-,5V Czy tranzystor pracuje w zakresie nasycenia? > Równanie dla oczka wyjściowego: R po przekształceniu: 1 R R i podstawieniu danych: 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 16 r. Elementy elektroniczne - tranzystor JFET ,7V =-1V =-1,5V =-V 17

18 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA 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 15 r. &B Elementy elektroniczne tranzystor JFET 35 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA 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 napięcia stałego (ich R wew = ) EiT 16 r. Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 36 18

19 o co to wszystko? JAK JET CEL MOELOWANA 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, potrafi to każdy student. EiT 15 r. &B Elementy elektroniczne tranzystor JFET 37 odsumowanie Tranzystor JFET unipolarny tylko nośniki większościowe terowanie wartością prądu drenu (i ) przez zmianę konduktancji kanału wymiary (pole przekroju poprzecznego) Zmiana konduktancji kanału następuje pod wpływem napięcia wejściowego (u ) Tranzystor JFET to specjalnie spreparowane złącze p + -n Złącze to musi być spolaryzowane zaporowo le wynosi prąd wejściowy ( )? Jak wygląda ch-ka wejściowa =f( )? EiT 16 r. Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 38 19