TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE

Transkrypt

1 4-4-3 TANZYSTOY BPOLAN ZŁĄCZOW Bipolar Juctio Trasistor - BJT Trazystor bipolary to odpowiedie połączeie dwóch złącz p p p p kolektor baza emiter kolektor baza emiter Budowa trazystora w techologii plaarej: Trazystor miter () Kolektor () Baza (p)

2 4-4-3 NAC (947) 8 lamp elektroowych masa: poad 7 to, powierzchia ok. 4 m "Nature abhors the vacuum tube." J.. Pierce, Bell Labs egieer who coied the term 'trasistor'

3 4-4-3 Działaie trazystora bipolarego złączowego pp a) kład iespolaryzoway (brak wymuszoej polaryzacji zewętrzej) Bariera potecjału a złączu emiter-baza i a złączu kolektor-baza dziury z emitera ie przeikają do kolektora, rówowaga dyamicza prądów rekombiacji i geeracji kolektor p potecjał Φ baza emiter p Φ b) Zewętrze źródło polaryzacji układu emiter-kolektor (baza a potecjale ieustaloym zewętrzie) Napięcie C odkłada się a zaporowo spolaryzowaym złączu baza-kolektor Wysokość bariery potecjału a złączu emiter-baza bez zmia. Brak przepływu prądu w obwodzie C potecjał Φ C - B C Φ Działaie trazystora bipolarego złączowego pp c.d. c) Złącze emiter-baza spolaryzowae w kieruku przewodzeia apięciem B - C Bariera potecjału a złączu -B maleje, Dziury z emitera dyfudują do bazy, Następie dziury dyfudują do kolektora, Płyie prąd C w gałęzi kolektora (waruek: iewielka rekombiacja dziur w bazie) Napięcie B określa wysokość bariery potecjału a złączu -B, czyli opór między emiterem i kolektorem TANSSTO TANSfereable ressto. C - B B C C B potecjał Φ- B Φ C Trazystor p działa aalogiczie przy odwrotej polaryzacji; kieruek przepływu prądu jest przeciwy; ośikami prądu kolektora są elektroy 3

4 4-4-3 C prąd kolektora złącze B-C złącze B- kolektor baza emiter prąd emitera C B ozkład prądów w trazystorze bipolarym B prąd bazy prąd rekombiacji elektroów w emiterze prąd rekombiacji dziur w bazie Prąd emitera - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombiacyje: część dziur rekombiuje w bazie elektroy z bazy dyfudują do emitera, gdzie także rekombiują jeśli baza odpowiedio cieka, większość dziur z emitera dociera do złącza B-C dziury wpływające do kolektora tworzą prąd kolektora C Wypływ prądu B z bazy do zewętrzego źródła: rówoważy procesy rekombiacyje utrzymuje wysokość bariery potecjału baza - emiter a stałym poziomie fekt trazystorowy zachodzi gdy: oba złącza mookrystalicze dioda (złącze) emiterowa spolaryzowaa w kieruku przewodzeia dioda (złącze) kolektorowa spolaryzowaa w kieruku zaporowym grubość bazy mała w porówaiu z długością drogi dyfuzji ośików większościowych z emitera ( <<.. mm ) obszar emitera musi zawierać zaczie więcej ośików większościowych iż obszar bazy; prąd płyący od stroy emitera 3 5 razy większy iż prąd od stroy bazy C C B C C B B potecjał Φ - B Φ C - B - 4

5 4-4-3 Zachodzi relacja: C B oraz prąd C jest proporcjoaly do prądu B C Współczyik wzmocieia prądowego trazystora: β h B zwykle β, o ile zewętrze źródła zezwalają C.5 A B ma C C Charakterystyka prądowo-apięciowa trazystora P B Prąd kolektora C arasta β-razy szybciej iż prąd bazy B Prąd kolektora słabo zależy od apięcia kolektor-emiter ( C ). Wprowadzeie prądu do bazy (wywołaie przepływu prądu kolektora) jest możliwe, gdy apięcie B przekroczy apięcie przewodzeia złącza daego typu (.65 V dla krzemu,.35 V dla germau) WZMACNACZ TANZYSTOOW Wzmaciacz to układ elektroiczy, w którym eergia z układu zasilaia jest zamieiaa a eergię sygału wyjściowego ZASLAN Sygał wyjściowy jest fukcją sygału wejściowego WJŚC JŚC POWADZN WSPÓLN Wzmaciacz trazystorowy : specjaly, steroway dzielik apięcia zasilającego Jedym z rezystorów w tym dzieliku jest trazystor 5

6 4-4-3 Trzy podstawowe układy wzmaciające z trazystorem bipolarym: zasilaie W L L W L W o wspólym emiterze o wspólym kolektorze o wspólej bazie e wyspecjalizowae wzmaciacze: są modyfikacjami, ewetualie kombiacjami układów podstawowych. zasilaie W L L WŁASNOŚC WZMACNACZY W L W o wspólym emiterze o wspólym kolektorze o wspólej bazie Zakładamy kształt sygału wejściowego (sterującego): u W (t) W cos(t) W podkład stały W składowa zmiea harmoicza o amplitudzie W Sygał użyteczy (iosący iformację): składowa zmiea Zakładamy : tę samą postać apięcia wyjściowego i wejściowego tę samą postać prądu wyjściowego i wejściowego czyli wzmaciacz pracuje w zakresie liiowym 6

7 4-4-3 Przypomieie: β C B C B ( β ) B Wzmaciacz o wspólym emiterze: prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd kolektora > W β duże wzmocieie prądowe * L o wspólym emiterze Dla dużego oporu rezystora L astępuje a im duży spadek apięcia, a więc: duże wzmocieie apięciowe duże wzmocieie mocy zachodzi odwróceie fazy apięcia wyjściowego względem wejściowego Wzmaciacz o wspólym kolektorze (wtórik emiterowy) W - B W W W B < czyli: brak wzmocieia apięciowego prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd emitera czyli W ( β ) o wspólym kolektorze wzmocieie prądowe jest duże zgode fazy sygału wyjściowego i wejściowego 7

8 4-4-3 Wzmaciacz o wspólej bazie: prąd wejściowy prąd emitera: W B ( β ) prąd wyjściowy prąd kolektora: B β β β wzmocieie prądowe: < W o wspólej bazie brak wzmocieia prądowego! przy odpowiedio dużym oporze rezystora L moża uzyskać duże zmiay apięcia a wyjściu czyli możliwe duże wzmocieie apięciowe apięcie wyjściowe zgode w fazie z apięciem wejściowym PODSMOWAN N r Wzmaciacz o: WSPÓLNYM MTZ WSPÓLNYM KOLKTOZ WSPÓLNJ BAZ Wzmocieie apięciowe duże < duże Wzmocieie prądowe duże duże < 3 Przesuięcie fazowe W- 8 4 Pasmo przeoszeia wąskie średie szerokie 8

9 4-4-3 ZNACZAN PNKT PACY TANZYSTOA W. (ustalaie wejściowego prądu składowej stałej) efekt prostowaia jedopołówkowego - trazystor pracuje liiowo tylko wtedy, gdy apięcie B przekroczy apięcie przewodzeia złącza (p..65 V) czas uzyskaie wzmaciaia peło-okresowego wymaga dodaia stałego podkładu (stały prąd bazy) do wejściowego sygału zmieego (zmieego prądu bazy) W W czas kład automatyczego dodawaia podkładu stałego jest układem polaryzacji (określeie puktu pracy trazystora) Przykład: prąd polaryzacji bazy trazystora ze źródła zasilaia przez oporik b ustalający składową stałą a wejściu. Kodesatory C i C służą do odseparowaia podkładu stałego od wejścia i wyjścia wzmaciacza (sprzężeie AC). W b C L C układ wspóly emiter STALAN OPTYMALNGO PNKT PACY TANZYSTOA graficza aaliza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowaia: P MAX C C C. Przestrzeń puktów pracy ( C, C ) trazystora jest ograiczoa przez / hiperbolę maksymalej dopuszczalej L cieplej mocy strat trazystora, PNKT PACY B określoej w katalogu przez produceta: P MAX C * C. Trazystor pracuje w układzie dzielika apięcia z rezystorem L prosta obciążeia - L C C przestrzeń puktów pracy ograicza się do prostej opisaej rówaiem: C - L * C (tzw. prosta obciążeia) Napięcie zasilaia oraz opór L dobieramy tak, by prosta obciążeia była stycza do hiperboli mocy (lub przebiegała poiżej) 3. Odczytujemy optymaly prąd stałego podkładu B, wyzaczamy wartość oporika b z r-ia : -.65V B * b W b C L C układ wspóly emiter 9

10 4-4-3 PASMO WZMOCNNA PASMO PZNOSZNA Pasmo wzmocieia (przeoszeia) wzmaciacza określoe jest przez: własości trazystora (wielkości pasożyticze) sposób współdziałaia trazystora z obwodem wzmaciacza podłączeia wejścia i wyjścia wzmaciacza Pasożyticze elemety trazystora rzeczywistego: rozproszoa rezystacja bazy r bb, pojemości emiter-baza C eb i kolektor-baza C kb B K < > B Skutek: współczyik wzmocieia prądowego trazystora maleje wraz ze wzrostem częstości r bb C kb C eb Pasmo wzmocieia trazystora jest ograiczoe przez częstość graiczą f T: powyżej częstości f T współczyik wzmocieia prądowego β < K r bb i C eb tworzą filtr góroprzepustowy, który boczikuje złącze baza-emiter zmiejszeie prądu sterującego trazystor przy wysokich częstościach β,, częstość graicza trazystora : β(f T) częstość f T fekt Millera Sprzężeie między kolektorem a bazą w postaci filtra góroprzepustowego tworzoego przez: C kb, r bb oraz rezystację źródła sygału G ograiczeie pasma przeoszeia wzmaciacza w układzie o wspólym emiterze sygały wyjściowe i wejściowe są przeciwe w fazie G źródło sygału ujeme sprzężeie zwrote wyjścia (kolektor) z wejściem (baza) W układzie o wspólym kolektorze słaby wpływ efektu Millera, gdyż kolektor trazystora jest połączoy z iskorezystywym źródłem zasilaia C kb r bb wzmaciacz W układzie o wspólej bazie ie ma oddziaływaia wyjścia wzmaciacza a wejście przez pojemość C kb, gdyż baza ma ustaloy potecjał. Pasmo przeoszeia wzmaciacza określa się podobie jak pasmo przeoszeia filtra: dla częstości graiczych wzmaciacza wzmocieie jest miejsze o w stosuku do wzmocieia maksymalego wy we Pasmo przeoszeia g k k( ) j W / MAX Częstość g

11 4-4-3 strukcja do ćwiczeia Trazystor bipolary wzmaciacz trazystorowy Część Napięcie z geeratora: sygał liiowo arastający od V do 5 V i częstości około Hz (sygał trójkąty) Zbudować obwód: Napięcie W : stałe apięcie z zasilacza regulowae w zakresie od do V mierzymy za pomocą woltomierza C L B W.65V B C wyzaczyć charakterystyki C ( C ); parametr: prąd bazy B wykreślić rodzię charakterystyk trazystora. C.5 A C B ma Część Zbudować wzmaciacz w układzie wspóly emiter : zasilić układu apięciem stałym 8 V zmierzyć za pomocą woltomierza apięcie kolektora dobrać wartość oporika regulowaego B by C 4 V optymaly pukt pracy trazystora we wzmaciaczu W zmiey sygał sterujący bazą apięcie a kolektorze Wyzaczeie charakterystyki amplitudowej wzmaciacza ( W ) Wejście układu: sygał siusoidaly o częstości około Hz Mierzymy ( W ) w całym zakresie mierzalych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud W, dla których wzmaciacz pracuje liiowo. Dla tego zakresu wyzaczamy wzmocieie wzmaciacza k, dopasowując do daych doświadczalych prostą typu k * W Wyzaczeie charakterystyki częstościowej wzmaciacza: wzmocieie w fukcji częstości: k () Amplitudę sygału wejściowego ależy dobierać tak, by w całym zakresie badaych częstości ( Hz - MHz) sygał był przetwarzay liiowo

12 4-4-3 ANALZA Wyzaczyć częstości graicze kład różiczkujący W j g j g Pojemość i rezystacja wejściowa wzmaciacza wzmocieie k -/ k max wpływ sprzężeia wpływ trazystora kład całkujący kład całkujący W j g Pojemość i rezystacja wyjścia g pasmo g częstość Filtr góro- dolo-przepustowy: g C ZJAWSKA LNOW NLNOW X przyczya (t) > POCS > X skutek (t) X s X s X p X p Proces liiowy: X s (t)k*x p (t) Proces ieliiowy: X s (t) ieliiowa fukcja [X p (t)] ezystory, kodesatory i cewki to elemety liiowe (w dobrym przybliżeiu) Większość elemetów elektroiczych to elemety ieliiowe. Przykłady: diody, trazystory, tyrystory, lampy elektroowe itd.

13 4-4-3 Liiowy Nieliiowy f ( ) ( ) cost ( ) cost f ( ) Nieliiowe układy elektrycze elemet ieliiowy X r d f ( ) rezystacja zwykła: r d X rezystacja różiczkowa (dyamicza): dla elemetów ieliiowych: X X d d r d X X X w elemetach ieliiowych amplituda atężeia prądu ie jest liiową fukcją amplitudy apięcia w ogólości wyraża się wielomiaem: s 3

14 4-4-3 ZJAWSKA NLNOW X przyczya (t) > POCS > X skutek (t) Proces ieliiowy (przykład): X s (t)k*[x p (t)ε*x p (t)] ε<< Założeie: X p (t) cos(t) X s X s (t) k*[cos(t) ε*cos (t)] X S ε ε ( t) k[cost cos(t)] cos θ ( cosθ ) W procesie ieliiowym powstała fala o dwóch składowych częstości: podstawowej: drugiej harmoiczej: stała ε/ przesuięcie wartości średiej wyprostowaie (rektyfikacja) Procesy ieliiowe dodatkowe częstości X p Mieszaie częstości w układzie ieliiowym (przykład) ( t) A cos t B cos t X p POCS NLNO: X s (t)k*[x p (t)ε*x p (t)] ε<< X ( t) k X s k X ( t) k ε( A p p ( t) k ε( Acos t Bcos t) cos t B cos t ABcos t cos t) AB[cos( ) t cos( ) t ] składowe sygału X s :,,,,, modulacja amplitudy u(t) π π jeśli zaczie większe od (ale porówywale) modulacja amplitudy fali o częstości z częstością C ( t) cos t czas fukcja modulacji amplitudy fali podstawowej 4

15 4-4-3 WDMO SYGNAŁ, SKŁADOW HAMONCZN Twierdzeie Fouriera : jeżeli fukcja u(t) jest periodycza o okresie T, to moża ją przedstawić w postaci sumy szeregu harmoiczego: a T ) T T u( t) a u( t dt o cos( t) b si( t) a T a T Po przekształceiach i podstawieiu: u ( t )cos( t ) dt T C a b T b T u ( t )si( t ) dt T b φ arctg a Każdą fukcję periodyczą możemy przedstawić w postaci: u( t) a o C cos( t φ ) - częstości kolejych składowych harmoiczych gdzie: Zbiór trójek liczb: ( C, φ ) φ, C π T - fazy kolejych składowych harmoiczych amplitudy kolejych składowych harmoiczych jest widmem sygału składowe o częstościach składowe harmoicze Fukcja okresowa charakteryzuje się widmem dyskretym!!! f (t) si t si 3 3 t si 5t 5 u(t) 4 f t) (si t si3t si5 t π 3 5 ( C...) t

16 4-4-3 W przypadku, gdy fukcja u(t) ie jest okresowa, jej widmo ma charakter ciągły i opisywae jest fukcją: S( ) S ( ) A ( ) B ( ) u( t) e jt dt S( ) e B( ) ϕ( ) arctg A( ) jϕ ( ) A ( ) u( t)cos( t) dt B ( ) u( t)si( t) dt S() mowa S() szum u(t) S() t WZBOGACAN WDMA SYGNAŁ W KŁADACH NLNOCH u W (t) u (t) t t C W C układ ieliiowy 4 5 ( φ Źródło: sygał harmoiczy t) Acos( t ) W sygał wyjściowy obwodu: spadek apięcia a rezystorze ( t) ( Acos( t φ ) ) D Zgodie z twierdzeiem Fouriera: ( ) t C cos( t ) Widmo sygału wyjściowego jest bogatsze iż widmo sygału wejściowego!!! (pojawiają się składowe o częstościach,, 4 itd.) WAGA: kłady liiowe (p. układy LC) zmieiają widmo sygału oddziaływując a amplitudę i fazę poszczególych składowych harmoiczych. Jedak układy liiowe ie wzbogacają widma sygału φ 6

17 4-4-3 POWLACZ CZĘSTOŚC Zastosowaia układów ieliiowych,, 3,... sygał siusoidaly geerator układ ieliiowy filtr rezoasowy kombiacja harmoiczych sygału wejściowego wybór składowej o daej częstości MSZACZ CZĘSTOŚC,, 3,...,, 3,..., -,......,,..., -,... m składowe o częstościach iterkombiacyjych układ ieliiowy filtr rezoasowy wybór określoej składowej Zjawiska ieliiowe podstawą elektroiki kwatowej - techiki laserowej, radiotechiki Filtr rezoasowy szeregowy W Y / W LC L m H, C F, 5 Ω,8,6 3 Ω,4,, Pasmo przeoszeia zlokalizowae jest w okolicach częstości rezoasu: LC ν 8 g ν g częstość [H z] faza [rad] π/ 5 Ω π/4 3 Ω -π/4 -π/ ν 7 g ν g częstość [Hz] Pasmo przeoszeia filtru rozciąga się od νg do νg - częstości graicze Dla częstości graiczych: wy we π ϕ 4 Dobroć: Q L C 7

18 4-4-3 MODLACJA AMPLTDOWA (AM) modulacja amplitudy: przekazywaie iformacji o częstości Ω za pomocą fali ośej o częstości u(t) π Ω π [ m si( Ωt) ] si( ) u( t) t m Po przekształceiach t) si( t) m { cos[ ( Ω) t] cos[ ( ) t] } czas ( Ω Widmo fali zmodulowaej amplitudowo złożoe z trzech składowych o częstościach: (fali ośej) oraz Ω i -Ω (wstęg boczych) Nadajik (radiowy) geerator powielacz głębokość modulacji modulator (mieszacz) filtr rezoasowy wzmaciacz Ω -Ω mikrofo / wzmaciacz Ω, Ω -Ω atea ODBONK: DMODLACJA FAL ZMODLOWANJ AMPLTDOWO Techika ieliiowa odbiór iformacji przekazywaej drogą radiową Najprostszy odbiorik atea Ω - Ω detektor Ω słuchawka wybór stacji adawczej czyli częstości filtr rezoasowy detektor - elemet ieliiowy filtr doloprzepustowy wybór sygału iformacyjego o częstości Ω W układzie ieliiowym: mieszaie składowych przebiegu zmodulowaego amplitudowo w widmie wyjściowym: składowa iskiej częstości Ω (iformacja) Odbioriki detektorowe: wykorzystywae do odbioru tylko bardzo silych stacji 8