TRANZYSTORY IPOLARN ZŁĄCZO 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
NIAC (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) Układ 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 U 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 ΦU C - U C Φ Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp c.d. c) Złącze emiter-baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem U - U C ariera potencjału na złączu - maleje, Dziury z emitera dyfundują do bazy, Następnie dziury dyfundują do kolektora, Płynie prąd I C w gałęzi kolektora (warunek: niewielka rekombinacja dziur w bazie) Napięcie U określa wysokość bariery potencjału na złączu -, czyli opór między emiterem i kolektorem TRANSISTOR = TRANSfereable resistor. I C - I U C C potencjał Φ-U ΦU C I Tranzystor npn działa analogicznie przy odwrotnej polaryzacji; kierunek przepływu prądu jest przeciwny; nośnikami prądu kolektora są elektrony 3
I C prąd kolektora złącze -C złącze - kolektor baza emiter prąd emitera I =I C I Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym I = prąd bazy prąd rekombinacji elektronów w emiterze prąd rekombinacji dziur w bazie Prąd emitera I - 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 I C Wypływ prądu I 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 U C IC I C C U potencjał Φ -U Φ U C - - I 4
I = I I Zachodzi relacja: C oraz prąd I C jest proporcjonalny do prądu I I C Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora: β = h 21 = I zwykle β 100, o ile zewnętrzne źródła zezwalają I C 0.5 A 5 4 3 2 1 I =0 ma I C U C Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora U P U Prąd kolektora I C narasta β-razy szybciej niż prąd bazy I Prąd kolektora słabo zależy od napięcia kolektor-emiter (U C ). Wprowadzenie prądu do bazy (wywołanie przepływu prądu kolektora) jest możliwe, gdy napięcie U przekroczy napięcie przewodzenia złącza danego typu (0.65 V dla krzemu, 0.35 V dla germanu) WZMACNIACZ TRANZYSTORO Wzmacniacz to układ elektroniczny, w którym energia z układu zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego ZASILANI Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego JŚCI JŚCI PROWADZNI 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 o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Inne wyspecjalizowane wzmacniacze: są modyfikacjami lub kombinacjami układów podstawowych. zasilanie WŁASNOŚCI WZMACNIACZY o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy kształt sygnału wejściowego (sterującego): u (t) = U cos(ωt) U 0 podkład stały U 0 składowa zmienna harmoniczna o amplitudzie U 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: I = β C I I = I I C I ( β ) I = 1 Wzmacniacz o wspólnym emiterze: prąd wejściowy = prąd bazy prąd wyjściowy = prąd kolektora => I = I β duże wzmocnienie prądowe U = I * 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) U = U - U U U U = U U <1 czyli: brak wzmocnienia napięciowego prąd wejściowy = prąd bazy prąd wyjściowy = prąd emitera czyli I = I ( β 1) o wspólnym kolektorze wzmocnienie prądowe jest duże zgodne fazy sygnału wyjściowego i wejściowego 7
Wzmacniacz o wspólnej bazie: prąd wejściowy = prąd emitera: I = I ( β 1) prąd wyjściowy = prąd kolektora: I = I β = β β wzmocnienie prądowe: 1 I 1 < I 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 PODSUMOWANI N r Wzmacniacz o: WSPÓLNYM MITRZ WSPÓLNYM KOLKTORZ WSPÓLNJ AZI 1 Wzmocnienie napięciowe duże < 1 duże 2 Wzmocnienie prądowe duże duże < 1 3 Przesunięcie fazowe - 180 0 0 0 0 0 4 Pasmo przenoszenia wąskie średnie szerokie 8
ZNACZANI PUNKTU PRACY TRANZYSTORA U 1. (ustalanie wejściowego prądu składowej stałej) efekt prostowania jednopołówkowego - tranzystor pracuje liniowo tylko wtedy, gdy napięcie U przekroczy napięcie przewodzenia złącza (np. 0.65 V) U czas uzyskanie wzmacniania pełno-okresowego wymaga dodania stałego podkładu (stały prąd bazy) do wejściowego sygnału zmiennego (zmiennego prądu bazy) U U W czas Układ automatycznego dodawania podkładu stałego jest układem polaryzacji (określenie punktu pracy tranzystora) 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). R b C1 R 2 C 2 układ wspólny emiter USTALANI OPTYMALNGO PUNKTU PRACY TRANZYSTORA graficzna analiza charakterystyk Hiperbola mocy Schemat postępowania: I P MAX =I C U C C 1. Przestrzeń punktów pracy (U C, I C ) tranzystora jest ograniczona przez /R hiperbolę maksymalnej dopuszczalnej L cieplnej mocy strat tranzystora, PUNKT PRACY I 0 określonej w katalogu przez producenta: P MAX =I C * U C 2. Tranzystor pracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem prosta obciążenia - I C U C przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem: U C = - *I 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 I 0, wyznaczamy wartość opornika R b z r-nia : -0.65V=I 0 * R b R b C1 R 2 C 2 układ wspólny emiter 9
PASMO WZMOCNINIA I PASMO PRZNOSZNIA 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 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 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 granicznej wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o 1 2 w stosunku do wzmocnienia maksymalnego U wy U we Pasmo przenoszenia R G źródło sygnału k0 k( ω) = jω 1 ω U 2U C kb r bb 1/ 2 = 07.... MAX wzmacniacz g ωg Częstość 10