Przyrządy półprzewodnikowe część 4 Dr inż. Bogusław Boratyński Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2011
Literatura i źródła rysunków G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publ., B.G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice-Hall, W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, B.G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT
Przyrządy wzmacniające Rozdział 4 Tranzystory bipolarne (2). cd Ograniczenia obszaru pracy Praca w zakresie w.cz. Przełączanie tranzystora Klasy wzmacniaczy Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz operacyjny
Ograniczenia polaryzacji tranzystora Limit prądu, napięcia i mocy tranzystora: - Dopuszczalne napięcie przebicie złącza CB lub przebicie skrośne bazy (punch-through) - Dopuszczalny prąd kolektora - efekty termiczne, wytrzymałość materiałów - Dopuszczalna moc - rozpraszanie ciepła ( P = IU ) - efekty termiczne Charakterystyki wyjściowe: układ WB układ WE Q-point WB napięcie przebicia BV CBO BV CBO >> BV CEO (Breakdown Voltage) WE napięcie przebicia BV CEO typowe wartości: 50V 100V (ale także 800V - tranzystory wysoko-napięciowe) Source: B.C.Streetman Solid State Electronic Devices, Prentice Hall.
Polaryzacja stałoprądowa tranzystora - przykład Ustalony potencjał BAZY za pomocą dzielnika napięcia na rezystorach R1 i R2. Jest to układ polaryzacji tranzystora stabilizujący pkt. pracy ze względu na zmiany temperatury C 1 V B = [R 1 /(R 1 + R2)] V CC I C V B B Wej. V BE R C C V CE E V CC Wyj. C 2 Zadanie (analiza dc): Oblicz wartości R 1, R 2 tak, aby V CEQ =10V Oblicz I C oraz I B przy założeniu, że wzmocnienie tranzystora =100. Wykreśl prostą pracy. Dla wyznaczonego punktu pracy określ maksymalną amplitudę sygnału prądu kolektora i c i napięcia v ce. Oblicz wzmocnienie napięciowe układu. R E C E Układ WE+R E, wzmocnienie napięciowe: A v = R C /R E i nie zależy od tranzystora Dodanie kondensatora C E, tworzy układ WE dla sygnałów zmiennych Pojemności, C 1, C 2 ograniczają przepływ prądu stałego polaryzacji tranzystora do sąsiednich układów (np.stopni wzmacniacza), a jednocześnie umożliwiają prznoszenie sygnału zmiennego. Source: J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill
Praca tranzystora dla wielkich częstotliwości Układy filtrów RC i ich odpowiedzi częstotliwościowe: Filtr górnoprzepustowy (high pass filter) Filtr dolnoprzepustowy (low pass filter) Nie ogranicza sygnału od góry f H oo Nie ogranicza sygnału od dołu f L =0 f L - low (dolna) 3-dB frequency, f H - high (górna) 3-dB frequency, pasmo częstotliwości: Δf = f H f L wzmocn. napięciowe: A v = V o /V i lub w [db]: A v [db] = 20 log A v dla f L or f H spadek wzmocnienia: lub o 3dB w skali log A v Source J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill
Praca tranzystora dla wielkich częstotliwości Tranzystor filtr dolnoprzepustowy : Model dla m.cz. Dokładniejszy model dla m.cz. zł. CB Odpowiedź częstotliwościowa tranzystora jak dla filtru RC: C eb + A v C cb E E h fe =h 21e - wzmocn. prądowe (WE) [db] nachylenie charakterystyki B r b C h 21e(x) Model dla w.cz. uwzględnia pojemności złącz p-n i oporność bazy r b (r bb ) zł. EB zł. CB f - częstotliwość 3dB dla spadku h 21e o 3dB pasmo Δf 3dB = f przebieg rzeczywisty f x [skala log] f T - częstotliwość f T (cut-off frequency) dla aproksymacji liniowego spadku do wartości h 21e =1 (0 db) f T = h 21e(x) f x = const. (iloczyn: wzmocnienie x pasmo częstotliwości)
Tranzystor jako przełącznik Tranzystor - przełącznik prądu sterowany prądem lub napięciem WYŁ. (OFF) ZAŁ. (ON) Przykład: LED driver przełącznik prądu zasilania diody świecącej High low voltage signal ON- OFF state Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp. Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Przełączanie tranzystora Switch ON Switch OFF Sygnał wejściowy (sterujący) Zmiana położenia pkt. pracy podczas przełączania Prąd wejściowy (prąd bazy) Prad wyjściowy (prąd kolektora) Wyłączenie wymaga usunięcia ładunku dziur z bazy -opóźnienie- czas wyłączania nasycenie Ładowanie bazy nośnikami mniejszościowymi od strony emitera i kolektora Tutaj - dla tranzystora npn, więc nośniki mniejszościowe w bazie dziury. 0.2V aktywny odcięcie Source: J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill
Układy pracy tranzystora n-p-n Relacje prądowe: I C + I E + I B =0 I E = -(I B + I C )= - (1+ ) I B Wspólna baza wzm. prądowe ~1 Gdy potrzebne duże wzmocnienie prądowe: R output R input Wspólny emiter wzm. prądowe» 1 R output R input Wspólny kolektor (wtórnik emiterowy) wzmocn. prądowe: Układ Darlingtona para tranzystorów E 1 B 2 wzmocn. prądowe: A I 1 2 Bardzo duża rezyst. wej. R input R input R output Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Rodzaje wzmacniaczy: klasa-a, klasa-b Klasa-A sygnał sinusoidalny jest wzmacniany w całym zakresie amplitudy. Ulokowanie punktu pracy (Q-point) centralnie w obszarze aktywnym pozwala na pracę z dużymi sygnałami. Ograniczenie stanowi wartość napięcia zasilania V CC Maksymalna amplituda sygnału wyjściowego = (V cc 0.2V)/2 i C i B - prądowy sygnał wejściowy V cc Prądowy sygnał wyjściowy i C = i B U CEsat ~ 0.2V klasa-a Napięciowy sygnał wyjściowy v CE klasa-b Maksymalna amplituda sygnału wyjściowego = (V cc 0.2V) Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Wzmacniacz dużych sygnałów: klasa- B Wzmacniacz klasy B (lub AB) Punkt pracy-q w odcięciu (klasa B) lub w pobliżu odcięcia (klasa AB) Tranzystor wzmacnia tylko 1 połowę sygnału sinusoidalnego Par komplementarna tranzystorów (npn and pnp) pracująca przeciwsobnie - push-pull amplifier zapewnia wzmocnienie pełnego symetrycznego sygnału i wymaga symetrycznego zasilania ±V cc Source:J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.
Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz operacyjny OP-AMP (podstawowy analogowy układ scalony ) V o = A vd ( V s1 -V s2 ) A vd różnicowe wzmocnienie napięciowe V s1 -V s2 różnicowy sygnał wejściowy v out = - R F /R S ( v s ) Parametry wzmacniacza op.: R 0 R output input Source:J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Wzmacniacz operacyjny OP-AMP ( kość, chip) na przykład:741 op-amp V o = A Vd ( v+ - v - ) = A Vd ( v in ) Wzmocnienie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego (no R F ): A V(OL) Ze sprzężeniem zwrot.: v out = - R F /R S ( v in ) V o = A vd ( V s1 -V s2 ) A vd differential voltage gain V s1 -V s2 - differential input signal A vd = - R F /R S R 0 R out in Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Układy pracy wzmacniacza operacyjnego Wzmac. nieodwracający Wzmac. odwracający (fazę sygnału o 180 ) v out = 1+ R F /R S ( v s ) v out = - R F /R S ( v s ) A vd = 1+ [R F /R S ] Source:J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Układy pracy wzmacniacza operacyjnego Wzm. odwracający sumacyjny Wzm. odwracający v out = - R F /R S ( v s ) v out = - R F /R S1 ( v s1 ) - R F /R S2 ( v s 2 )... - R F /R SN ( v s N ) Source:J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill