TRANZYSTORY POLARN ZŁĄCZOW 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: Tranzystor - 1947 miter (n) Kolektor (n) aza (p) 1
NAC (1947) 18 000 lamp elektronowych masa: ponad 27 ton, powierzchnia ok. 140 m 2 "Nature abhors the vacuum tube." J.R. Pierce, ell Labs engineer who coined the term 'transistor' 2
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 C odkłada się na zaporowo spolaryzowanym złączu baza-kolektor Wysokość bariery potencjału na złączu emiter-baza bez zmian. rak przepływu prądu w obwodzie C potencjał Φ C - C Φ Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp c.d. c) Złącze emiter-baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem - C ariera potencjału na złączu - maleje, Dziury z emitera dyfundują do bazy, Następnie dziury dyfundują do kolektora, Płynie prąd C 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. C - C C potencjał Φ- Φ C Tranzystor npn działa analogicznie przy odwrotnej polaryzacji; kierunek przepływu prądu jest przeciwny; nośnikami prądu kolektora są elektrony 3
C prąd kolektora złącze -C złącze - kolektor baza emiter prąd emitera C Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym prąd bazy prąd rekombinacji elektronów w emiterze prąd rekombinacji dziur w bazie Prąd emitera - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombinacyjne: 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 -C dziury wpływające do kolektora tworzą prąd kolektora C Wypływ prądu z bazy do zewnętrznego źródła: równoważy procesy rekombinacyjne utrzymuje wysokość bariery potencjału baza - emiter na stałym poziomie 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 ( << 0.01 0.1 mm ) obszar emitera musi zawierać znacznie więcej nośników większościowych niż obszar bazy; prąd płynący od strony emitera 10 3 10 5 razy większy niż prąd od strony bazy C C C C potencjał Φ - Φ C - - 4
Zachodzi relacja: C oraz prąd C jest proporcjonalny do prądu C Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora: β h 21 zwykle β 100, o ile zewnętrzne źródła zezwalają C 0.5 A 5 4 3 2 1 0 ma C C Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora P Prąd kolektora C narasta β-razy szybciej niż prąd bazy Prąd kolektora słabo zależy od napięcia kolektor-emiter ( C ). 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) WZMACNACZ TRANZYSTOROW Wzmacniacz to układ elektroniczny, w którym energia z układu zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego ZASLAN Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego WJŚC JŚC PROWADZN WSPÓLN Wzmacniacz tranzystorowy : specjalny, sterowany dzielnik napięcia zasilającego Jednym z rezystorów w tym dzielniku jest tranzystor 5
Trzy podstawowe układy wzmacniające z tranzystorem bipolarnym: zasilanie W W W o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie nne wyspecjalizowane wzmacniacze: są modyfikacjami, ewentualnie kombinacjami układów podstawowych. zasilanie W WŁASNOŚC WZMACNACZY W W o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy kształt sygnału wejściowego (sterującego): u W (t) W cos(ωt) W0 podkład stały W0 składowa zmienna harmoniczna o amplitudzie W 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 6
Przypomnienie: β C C ( β ) 1 Wzmacniacz o wspólnym emiterze: prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd kolektora > W 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 Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (wtórnik emiterowy) W - W W W <1 czyli: brak wzmocnienia napięciowego prąd wejściowy prąd bazy prąd wyjściowy prąd emitera czyli W ( β 1) o wspólnym kolektorze wzmocnienie prądowe jest duże zgodne fazy sygnału wyjściowego i wejściowego 7
Wzmacniacz o wspólnej bazie: prąd wejściowy prąd emitera: W ( β 1) prąd wyjściowy prąd kolektora: β β β wzmocnienie prądowe: 1 1 < W 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 PODSMOWAN N r Wzmacniacz o: WSPÓLNYM MTRZ WSPÓLNYM KOLKTORZ WSPÓLNJ AZ 1 Wzmocnienie napięciowe duże < 1 duże 2 Wzmocnienie prądowe duże duże < 1 3 Przesunięcie fazowe W- 180 0 0 0 0 0 4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże 8
ZNACZAN PNKT PRACY TRANZYSTORA W 1. (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) kład automatycznego dodawania podkładu stałego jest układem polaryzacji (określenie punktu pracy tranzystora) W W czas czas Przykład: prąd polaryzacji bazy tranzystora ze źródła zasilania przez opornik R b ustalający składową stałą na wejściu. Kondensatory C 1 i C 2 służą do odseparowania podkładu stałego od wejścia i wyjścia wzmacniacza (sprzężenie AC). W R b C1 R 2 C 2 układ wspólny emiter STALAN OPTYMALNGO PNKT PRACY TRANZYSTORA graficzna analiza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowania: P MAX C C C 1. Przestrzeń punktów pracy ( C, C ), w jakich może znajdować się tranzystor /R jest ograniczona przez hiperbolę L maksymalnej dopuszczalnej cieplnej PNKT PRACY 0 mocy strat tranzystora, określonej w katalogu przez producenta: P MAX C * C 2. Tranzystor pracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem prosta obciążenia - C C przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem: C - * C (tzw. prosta obciążenia) Napięcie zasilania oraz opór dobieramy tak, by prosta obciążenia była styczna do hiperboli mocy (lub przebiegała poniżej) 3. Odczytujemy optymalny prąd stałego podkładu 0, wyznaczamy wartość opornika R b z r-nia : -0.65V 0 * R b W R b C1 R 2 C 2 układ wspólny emiter 9
PASMO WZMOCNNA 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 C eb i kolektor-baza C kb K < > Skutek: współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstości r bb C kb C eb Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez częstość graniczną f T: powyżej częstości f T współczynnik wzmocnienia prądowego β < 1 K r bb i C eb tworzą filtr górnoprzepustowy, który bocznikuje złącze baza-emiter zmniejszenie prądu sterującego tranzystor przy wysokich częstościach β 1 100 10,1 0,01 1 częstość graniczna tranzystora : β(f T)1 10 100 1000 10000 częstość f T fekt Millera Sprzężenie między kolektorem a bazą w postaci filtra górnoprzepustowego tworzonego przez: C 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 C kb r bb wzmacniacz W układzie o wspólnej bazie nie ma oddziaływania wyjścia wzmacniacza na wejście przez pojemność C kb, gdyż baza ma ustalony potencjał. Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtra: dla częstości granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o 1 2 w stosunku do wzmocnienia maksymalnego wy we Pasmo przenoszenia ωg k0 k( ω) jω 1 ω 2 W 1/ 2 07.... MAX Częstość g 10
nstrukcja do ćwiczenia Tranzystor bipolarny wzmacniacz tranzystorowy Część Napięcie z generatora: sygnał liniowo narastający od 0V do 5 V i częstości około 1000 Hz (sygnał trójkątny) Zbudować obwód: Napięcie W : stałe napięcie z zasilacza regulowane w zakresie od 0 do 10 V mierzymy za pomocą woltomierza C R L W 0.65V R C wyznaczyć charakterystyki C ( C ); parametr: prąd bazy wykreślić rodzinę charakterystyk tranzystora. C 0.5 A C 5 4 3 2 1 0 ma Część Zbudować wzmacniacz w układzie wspólny emiter : zasilić układu napięciem stałym 8 V zmierzyć za pomocą woltomierza napięcie kolektora dobrać wartość opornika regulowanego R 1 by C 4 V optymalny punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu W zmienny sygnał sterujący bazą napięcie na kolektorze Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza ( W ) Wejście układu: sygnał sinusoidalny o częstości około 1000 Hz Mierzymy ( W ) w całym zakresie mierzalnych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud W, dla których wzmacniacz pracuje liniowo. Dla tego zakresu wyznaczamy wzmocnienie wzmacniacza k, dopasowując do danych doświadczalnych prostą typu k * W Wyznaczenie charakterystyki częstościowej wzmacniacza: wzmocnienie w funkcji częstości: k (ω) Amplitudę sygnału wejściowego należy dobierać tak, by w całym zakresie badanych częstości (10 Hz - 1 MHz) sygnał był przetwarzany liniowo 11
ANALZA Wyznaczyć częstości graniczne kład różniczkujący W jω ωg1 jω 1 ω g1 Pojemność i rezystancja wejściowa wzmacniacza wzmocnienie k 2-1/2 k max wpływ sprzężenia wpływ tranzystora kład całkujący kład całkujący W 1 jω ω g 2 Pojemność i rezystancja wyjścia ω g1 pasmo ω g2 częstość Filtr górno- dolno-przepustowy: 1 ωg RC TRANZYSTORY POLOW TRANZYSTORY POLOW ZŁĄCZOW (Junction Field ffect Transistors) Rezystancja wejściowa (GAT SORC) tranzystora sięga 10 9 Ω 12
TRANZYSTORY POLOW Z ZOLOWANĄ RAMKĄ solated Gate Field ffect Transistors Metal Oxide Semiconductor Field ffect Transistors (MOSFT) Opór bramki względem podłoża sięga 10 12-10 14 Ω tranzystory MOSFT w wersjach: wstępnie otwarty lub wstępnie zamknięty 13