wynalezienie tranzystora

Elektrotechnika elektronika miernictwo
Franciszek Gołek ([email protected])
www.pe.ifd.uni.wroc.pl
Wykład 9
Tranzystory i wzmacniacze.
Generalnie aby wzmacniać sygnały elektryczne lub sterować
włącznikiem musimy mieć do czynienia z układami, które
mają dwa zaciski wejściowe i dwa wyjściowe.
Modelowanie wnętrza
Tranzystory zwykle mają 3 zaciski, w praktyce jeden z nich
jest wspólny dla sygnału wejściowego i wyjściowego.
Trochę historii.
Niezwykle ważne dla wynalezienia tranzystora były:
1) W 1936 r. Mervin Kelly organizuje grupę badawczą dla rozwoju
urządzeń elektronicznych na bazie ciał stałych (jak diody
krystaliczne, zamiast lamp próżniowych).
2) Inna grupa powołana w 1946 r. przez M. Kelly’ego, której
kierownikiem został Bill Shockley decyduje aby zająć się
najprostszymi półprzewodnikami: germanem i krzemem.
3) Bardeen i Brattain, na podstawie prac z Purdue University orientują
się, że głównym problemem uzyskania efektu polowego (czyli
zmiany oporności wymuszonej polem elektrycznym) są stany
powierzchniowe.
4) Wcześniejsze wynalezienie lamp elektronowych, których wady
(straty mocy na grzanie katod i koszty produkcji) należało
wyeliminować a pozostawić zaletę; efekt wzmacniania sygnałów
elektrycznych.
Lampy próżniowe
Lampa trioda
Tranzystor jest elementem, który zmieniając swoją
oporność może wzmacniać sygnały elektryczne
w sprzęcie audio albo jako tzw. 0-1 przełącznik
realizować funkcje logiczne w obwodach cyfrowych.
Znacznie wcześniej przed powstaniem
tranzystora wynaleziono Lampę:
J.A. Fleming 1904 – dioda próżniowa
oparta na efekcie Edisona,
Lee De Forest 1906 – trioda próżniowa,
I. Langmiur 1912 – wysoko-próżniowe lampy
radiowe.
Poczynając od lampy triody, złożonej z katody,
anody oraz umieszczonej między nimi siatki,
stało się możliwe sterowanie prądem anoda-katoda przy pomocy pola elektrycznego
siatki i małego prądu siatka-katoda. Ten swoisty „zawór”, w którym potencjał siatki
przymyka prąd anodowy zapewnił efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych. Dla wielu
badaczy efekt wzmocnienia sygnału sterującego triodą był inspiracją w pracach nad
otrzymaniem tranzystora.
www.angelfire.com/planet/funwithtransistors/Book CHAP-4A.html,
www.daheiser.info/VTT/TEXT/vacuum%20tube%20characteristic%20equations.pdf
Wyjaśnienie wzmacniania sygnałów elektrycznych na
zasadzie działania dzielnika napięcia zawierającego jeden
sterowalny, zmienny rezystor. Rozważmy układ szeregowo
połączonych: 1. sterowanego rezystora zmiennego Rz, 2. rezystora
stałego Ro – odbiornika mocy oraz 3. zasilacza, tak jak dzielnik napięcia.
Mamy tu (zaniedbując RT)
URo = Ro × U/(Ro + Rz) – napięcie na Ro
URz = Rz × U/(Ro + Rz) – napięcie na Rz.
Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <<Ro moc
wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu
od Pmin ≈ 0 do Pmax ≈ U2/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej
wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość Pwy ≈ Pmax ≈ U2/Ro.
Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który „pokręcił” rezystorem Rz była
mniejsza od Pmax to otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału KP = Pwy /Ps. Taki
trick można wykonać zarówno przy pomocy lampy jak i tranzystora.
Zdolność wpływania sygnału elektrycznego na inny sygnał elektryczny to
podstawowa cecha tzw. elementów aktywnych. Obecnie w układach
elektronicznych elementy aktywne w postaci tranzystorów występują obficie.
Trioda jako element dzielnika napięcia dającego wzmocnienie sygnału
elektrycznego. Dzięki dużej przeźroczystości siatki S wielokrotnie mniej elektronów
trafia w siatkę niż zostaje przez nią przepuszczonych do anody co stanowi
wzmocnienie prądowe Ia>IS. Z rodziny charakterystyk statycznych na poniższym
rysunku widać, że ∆US < ∆Ua (8V<90V) co daje wzmocnienia napięciowe. Mamy
również: Ia>IS oraz ∆Ia> ∆IS co w iloczynie z napięciem daje znaczne wzmocnienie
mocy.
∆Ua × ∆Ia >> ∆US × ∆IS
∆PRa >> ∆PMoc sterująca
http://ecclab.com/start.php3?ID=6.
Parametry lampy.
Oznaczenia: Ua - Napięcie anodowe względem uziemionej
katody. Ia - Prąd anodowy, Us - Napięcie siatka – katoda,
∆– symbol małej zmiany (przyrostu), Ra - rezystor anodowy
Lub (obciążenie).
ra (lub ρa) - dynamiczna rezystancja anodowa:
ra = ∆Ua/∆Ia przy stałym napięciu siatki US
gm - transkonduktancja (lub Sa - nachylenie charakterystyki):
gm = ∆Ia/∆US przy stałym napięciu anody Ua.
µ (lub ka) - współczynnik amplifikacji:
µ = I∆Ua/∆USI przy stałym prądzie anodowym Ia.
Między współczynnikiem amplifikacji µ, rezystancją dynamiczną
anodową ra i transkonduktancją gm (Sa) występuje związek:
µ = ra × gm
(lub ka= ρa × Sa)
Wzmocnienie napięciowe
kU = µ × Ra/( ra+Ra), lub kU = ka × Ra/(ρa +Ra)
Zanim przejdziemy do omawiania tranzystora warto wspomnieć, oprócz triody,
o takich lampach jak tetroda czy pentoda. Trioda jest lampą trójelektrodową i
najprostszą zapewniającą efekt wzmocnienia. Poprawiając charakterystyki
wzmacniacza w lampie dodano drugą siatkę (o stałym potencjale dodatnim)
aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą między anodą a siatką pierwszą
„sterującą” – tak powstała tetroda. Tetroda miała jednak poważną wadę
polegającą na tym, że część elektronów wtórnych, wybijanych z anody była
przechwytywana przez dodaną siatkę drugą. Taki efekt, zwany dynatronowym,
powodował wklęśnięcia na charakterystykach anodowych lampy I a=Ia(Ua) a
przez to poważne zniekształcenia wzmacnianego sygnału. Aby tego uniknąć
dodano jeszcze jedną, trzecią siatkę – tak powstała pentoda. Siatka trzecia w
pentodzie zwykle ma potencjał zerowy (czyli jest zwarta z katodą) i dzięki temu
stanowi barierę dla elektronów wtórnych z anody. Elektrony wtórne są
zawracane do anody i efekt dynatronowy tu nie występuje. Oprócz pentod z
siatką zerową (antydynatronową) stosowane były również pentody z
podwójnym sterowaniem, tzw. pentody mieszające. W takich pentodach siatka
trzecia była drugą siatką sterującą. Takie pentody można było stosować w
układach koincydencyjnych i antykoincydencyjnych jak również do przemiany
częstotliwości (czy modulacji sygnałów w.cz.). Ich wadą znowu była duża
pojemność między anodą a siatką trzecią (S3) ograniczając od góry
częstotliwość sygnałów doprowadzanych do siatki S3. W heptodzie mamy
dwie dodatkowe siatki ekranujące (S1 i S3 sterujące a S2 i S4 ekranujące albo
S1 i S4 sterujące a S3 i S5 ekranujące z S2 jako specjalnej siatki-anody dla
heterodyny – lokalnego generatora).
TRANZYSTORY
W 1926r. Julius Lilienfeld (autor wielu patentów) opatentował ideę, że
słabo przewodzący materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie
zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu
wzmocnienia (i może też efektu przełączania). Poszukiwania realizacji
tej idei trwały wiele lat. Przemysł
telekomunikacyjny stosował w tym
czasie niedogodne lampy próżniowe
i przełączniki. W roku 1946
Mervin Kelly dyrektor laboratoriów
Bell’a powołał grupę badawczą dla
opracowania stałociałowych substytutów
lamp i przełączników. Członkowie tej grupy w 1947 roku, wynaleźli
tranzystor ostrzowy a po kilku miesiącach tranzystor złączowy.
Tranzystory polowe, realizujące ideę Lilienfelda, pojawiają się od 1953
roku – jako tranzystory typu JFET, i po 1960 roku – jako tranzystory
MOSFET. Już w 1954 roku sprzedano 100 000 tranzystorowych radioodbiorników a
laboratoria Bell’a wykonały komputer z 700 tranzystorami dla sił powietrznych USA.
Tranzystor – to wynalazek, który wywarł i nadal wywiera wielki wpływ na człowieka i jego
otoczenie. Wynalezienie tranzystora było jednym z wielu pożytecznych wyników szerokiego
programu badawczego poświęconego półprzewodnikom, w którym brali udział fizycy, chemicy,
metalurdzy i elektronicy. Wiele lat przed wynalezieniem tranzystora wiadomo było, że
przewodność półprzewodnika zmienia się pod wpływem temperatury oraz pod wpływem
oświetlenia (przewodność rośnie z temperaturą – odwrotnie niż w metalach, przewodność rośnie
też przy oświetlaniu). Oczywistym jest, że przewodność zależy od ilości nośników ładunku w
jednostce objętości oraz od ich ruchliwości. Ruchliwość to stosunek prędkości dryfu nośników
ładunku vd w polu elektrycznym E do natężenia tego pola. Ruchliwość nośników ładunku
decyduje o szybkości działania i przełączania tranzystorów. Wzrost temperatury obniża
ruchliwość w metalach i półprzewodnikach ale gwałtownie zwiększa ilości nośników ładunku i
przewodność tylko w półprzewodnikach. Efekty te wyjaśnia pasmowa teoria ciał stałych
zapoczątkowana przez A.H. Wilsona w 1931r. Już na początku XX wieku do odbioru fal
radiowych wykorzystywano, nie rozumiejąc jego działania, detektor kryształowy (czyli diodę
ostrzową) w postaci złącza bardzo cienkiego drutu stalowego z kryształkiem galeny (PbS).
Układy z detektorem kryształowym były stopniowo wypierane przez układy lampowe, a te już w
drugiej połowie XX wieku przez układy tranzystorowe. Oczywiście to fizycy wynaleźli
tranzystor i fizycy znajdują kolejne jego udoskonalenia.
W. B. Shockley w roku 1938 rozpoczął
poszukiwanie sposobu zmiany detektora krystalicznego
na wzmacniacz sygnału elektrycznego. Poszukiwania te
przerwane przez wojnę kontynuował od roku 1945
kierując grupą, w której byli między innymi Brattain i
Bardeen (wynalazcy tranzystora ostrzowego).
Warstwa inwersyjna
W budowie tego pierwszego tranzystora trudnym było
umieścić dwa ostrza (emiter i kolektor) w odległości około
0,05 mm od siebie na czystej powierzchni kryształu Ge.
W tranzystorach ostrzowych trzeba było dokonywać tzw.
formowania poprzez odpowiedni impuls prądowy, w czasie
którego atomy emitera dyfundowały do kryształu Ge i
zapewniały powstanie warstwy typu p .
Tranzystory złączowe bipolarne
Znak + przy symbolach typu domieszki n+
i p+ oznacza silniejsze domieszkowanie;
emiter jest domieszkowany bardziej niż
kolektor. Silniejsze domieszkowanie daje
węższą warstwę zubożoną!
Tranzystor ma tylko 3 końcówki!
Złożona budowa współczesnych tranzystorów
Zależnie od przeznaczenia mogą mieć różne rozwiązania i rozmiary.
Ilustracje tranzystorów zwykle zawierają wiele uproszczeń. Przykładowo, tranzystor ma
dodatkowe warstwy zapewniające dobre kontakty omowe do elektrod co w ilustracjach
jest zwykle pomijane.
Dzięki tranzystorom możemy: 1) budować układy wzmacniające iloczyn
napięcia i prądu czyli moc sygnału elektrycznego, 2) budować przełączniki i
układy zerojedynkowe. Podobne możliwości stwarzały lampy ale przy
większych kosztach i stratach energii na grzanie katod. Ponadto dzięki
tranzystorom dokonuje się rewolucja, w której dotychczasowy nośnik informacji
- papier zastępowany jest nośnikami elektronicznymi i powstaje „inteligencja” z
elektronicznymi mózgami i sensorami daleko bardziej sprawnymi od naszych
biologicznych.
W nazwie tranzystor bipolarny słowo „bipolarny” bierze się z tego, że w
mechanizmie działania takich tranzystorów istotną rolę odgrywają nośniki
ładunku obu znaków tj. elektrony i dziury (prąd płynie przez złącza p-n).
Tranzystory te składają się z dwóch złączy pn, które razem stanowią układ typu
npn albo pnp. Takie układy nazywamy odpowiednio tranzystorami typu npn lub
pnp. W obu przypadkach środkowa warstwa półprzewodnika, zwana bazą B,
jest bardzo cienka. Jej grubość jest porównywalna ze średnią drogą swobodną
nośników ładunku wstrzykiwanych do niej z emitera, tak aby zapewnić sam
efekt tranzystorowy polegający na przechwytywaniu tychże nośników przez
kolektor. Prąd kolektora jest niemal równy prądowi emitera. Tylko drobna część
nośników (około 1%), które ulegną rekombinacji w cienkiej bazie stanowią prąd
bazy. Brzegowe warstwy tranzystora mają nazwy odpowiednio: emiter E i
kolektor C. Nazwa „tranzystor” pochodzi od angielskiego opisu efektu:
TRANsferable reSISTOR, w którym rezystancja między kolektorem a
emiterem może być zmieniana przez sygnał podany między bazę a emiter.
Modele diodowe ułatwiają sprawdzenie i rozpoznanie tranzystora
przy pomocy multimetru. Multimetry zwykle dysponują funkcją
dioda, która daje stały prąd od zacisku czerwonego do tzw.
wspólnego. Sprawdzając tą funkcją złącza BE i BC, stwierdzimy,
że UCB < UBE co jest zgodne z faktem silniejszego domieszkowania
emitera niż kolektora. Tranzystor połączony szeregowo swoimi
zaciskami emitera i kolektora z opornikiem i zasilaczem o napięciu
UCC stanowi swoisty dzielnik napięcia z zasilacza! Złącze BE jest
polaryzowane sygnałem sterującym. Otwierając złącze BE
powodujemy, że z emitera wprowadzane są mobilne nośniki
ładunku w obszar cienkiej bazy a tym samym w pobliże złącza BC.
Około 99% tych nośników jest porywane przez kolektor (rys. na
następnym slajdzie). Tylko około 1% nośników trafia w obszarze
bazy na nośniki przeciwnego znaku i rekombinuje z nimi. W
tranzystorze npn elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy
rekombinują z dziurami – nośnikami większościowymi w bazie. Na
miejsce każdej znikającej dziury, w procesie rekombinacji, z
zacisku bazy wchodzi następna dziura stanowiąc prąd bazy.
Z powodu wielu analogii tranzystor nazywany jest czasem triodą
półprzewodnikową.
Najprostszy model intuicyjny mówi, że sygnałem o małej
amplitudzie mocy, za pomocą bazy (zaworu), dokonuje się
zamykanie i otwieranie przepływu dużego ładunku
czyli prądu o dużej amplitudzie mocy między kolektorem i
emiterem.
Źródło sterujące złączem BE pracuje z małym prądem ale
decyduje o prądzie o natężeniu o dwa rzędy wielkości większym
(99%/1%) w obwodzie emiter-kolektor-opornik-zasilacz. Cechą
charakterystyczną tranzystora jest to, że prąd kolektora I C jest
proporcjonalny do prądu bazy IB. Stosunek ßst = IC/IB nazywa się
statycznym (stałoprądowym) współczynnikiem wzmocnienia
prądowego, inne oznaczenie: h21E = IC/ IB. Prąd emitera rozgałęzia
się na prąd bazy i prąd kolektora: IE = IC + IB.
Zatem IE jest h21E+1 razy większy od IB.
Cieczowy model spolaryzowanego otwartego i
zamkniętego tranzystora npn
Modele tranzystora bipolarnego
Tranzystory bipolarne pracujące jako wzmacniacze traktuje się
zwykle jako elementy sterowane prądowo (sterowane prądem
bazy), choć stosowane są też modele w postaci źródeł napięcia
lub prądu sterowanych napięciem.
µ - jest
współczynnikiem
proporcjonalności.
Modele tranzystora bipolarnego
Tranzystory bipolarne mogą też
pracować jako elementy
przełączające (nieliniowe, on/off).
Wtedy można je traktować
jako przełączniki sterowane
prądem (rys. a) albo
przełączniki sterowane
napięciem (rys. b).
Przykład 9.1. Wyznaczyć wzmocnienie
Ku = uo/us układu, którego model
przedstawia rysunek obok.
Rozw.
uin = us×ri/(ri + Rs),
Zatem napięcie (Thevenina) sterowanego źródła napięcia wynosi:
µuin= µ×us×ri/(ri + Rs),
napięcie wyjściowe układu uo na obciążeniu Ro (z zasady działania dzielnika
napięcia) wynosi:
uo = µ×us×ri/(ri + Rs) × Ro/(rout + Ro)
Ku = uo/us= µ×ri/(ri + Rs) × Ro/(rout + Ro)
Z wyrażenia na ku widać, że wzmocnienie układu jest mniejsze od
µ (wzmocnienia samego tranzystora) i zależy od względnej
wartości rezystancji wejściowej ri i rezystancji źródła Rs oraz
rezystancji obciążenia Ro i rezystancji wyjściowej rout.
Wzmocnienie staje się bliskie wartości µ gdy ri >> Rs i Ro >> rout.
Prosty model tranzystora bipolarnego
mówi, że: I = βI , gdzie 10<β<1000.
C
B
Każdy tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi
(dopuszczalnymi) wartościami IC, IB i UCE. Ważną
wielkością charakteryzującą tranzystor jest częstotliwość
graniczna fT określana jako ta, przy której współczynnik
wzmocnienia prądowego maleje do jedności.
Prosty model tranzystora bipolarnego mówi,
że: IC = βIB, gdzie 10<β<1000.
Tzw. prosty
model tranzystora
jako wzmacniacza prądowego mówi, że z dobrym przybliżeniem prąd kolektora
jest proporcjonalny do prądu bazy:
IC = βstIB
UBE ≤ 0.7 V
W rzeczywistości β zależy od: natężenia prądu kolektora, napięcia kolektoremiter, temperatury, a nawet od egzemplarza tego samego typu tranzystora.
Ponadto w modelu prostym przyjmujemy, że UBE = const. = okło 0.6 V,
tranzystor sterowany jest prądowo, IE = IC + IB = IB(1 + β). Gdy tranzystor pracuje
jako wzmacniacz, złącze baza-emiter jest polaryzowane w kierunku
przewodzenia. Bariera potencjału na tym złączu jest zredukowana. W efekcie
mamy znaczny prąd w elementach: emiter - bardzo cienka baza (rzędu µm) kolektor. W obwodzie bazy płynie znikomy prąd gdyż prawie wszystkie nośniki
ładunku wstrzykiwane z emitera do bazy szybko znajdują się w obszarze
złącza baza-kolektor i tu są przyspieszane do kolektora. Przypomnijmy, że w
cienkiej bazie prawdopodobieństwo rekombinacji i rozproszenia nośników jest
małe co powoduje, że około 99% prądu emitera przechwytuje kolektor.
Pozostałe około 1% prądu emitera stanowi prąd w obwodzie bazy. O znacznym
wzmocnieniu decyduje fakt, że małe amplitudy UB i IB powodują duże amplitudy
UC i IC (bo IC = βstIB a UC = RCIC). Czyli mała amplituda mocy w obwodzie bazy
wywołuje dużą (wzmocnioną) amplitudę mocy w obwodzie kolektora!
Przykład 9.2. Wiedząc, że woltomierze w podanym
układzie pokazały napięcia: V1 = UB = 2 V, V2 = UE = 1,3 V
oraz V3 = UC = 6 V wykazać, że tranzystor jest otwarty
i obliczyć wartość wzmocnienia prądowego β.
Rozw.
Stan otwarcia tranzystora wynika z faktu, że
UBE = UB – U E = 2 -1,3 = 0,7 V.
Stan otwarcia wynika też z faktu, że napięcie kolektora
jest znacznie niższe od UCC co wskazuje na znaczny
prąd kolektora i spadek napięcia na RC.
β = IC/IB,
IB = (UBB – UB)/RB = (4 – 2)/50000 = 40 µA,
IC = (UCC – UC)/RC = (12 – 6)/1000 = 6 mA,
β = IC/IB = (6 mA)/(40 µA) = 150.
Gdyby UBB obniżyć z 4 V do poniżej 0,7 V tranzystor przeszedłby do stanu
odcięcia (nie przewodzenia – prądy bazy i kolektora zbliżyłyby się do zera).
Gdyby natomiast woltomierz V3 wykazał niskie napięcie UC, przy którym
UCE = UC – UE = 0,3 V, ta graniczna i bliska zeru wartość UCE oznaczałaby
stan nasycenia tranzystora (Ciekawe, że dla UB = 0,7 V napięcie UC = 0,3 V <
UB).
Uproszczony model Ebersa-Molla mówi, że:
IC = IS[exp(UBE/UT) – 1]
Poprawniejszym modelem tranzystora bipolarnego jako elementu
transkonduktancyjnego jest model Ebersa-Molla. W tym modelu
wykorzystujemy zależność prądu kolektora od napięcia między bazą a
emiterem UBE: IC = IS[exp(UBE/UT) - 1] (jest to uproszczone równanie EbersaMolla, w dalszym uproszczeniu składnik -1 jest pomijany gdy IC >> IS).
gdzie: UT = kT/q (= 25.3mV w temperaturze pokojowej), IS prąd wsteczny
nasycenia zależny od danego egzemplarza tranzystora i jego temperatury. Ta
zależność jest tak silna, że IC rośnie o 9% przy wzroście temperatury o 1°C i
niezmienionym napięciu UBE (pomimo tego, że w UT = kT/q T jest temp.
bezwzględną).
Model Ebersa-Molla jest bardziej przydatny do opisu dynamiki przełączania
tranzystora w elektronice cyfrowej (dwustanowej). Przy pomocy modelu E-M
można oszacować niektóre parametry tranzystora niezależne od typu.
Przykładowa rodzina charakterystyk
tranzystora bipolarnego
Efekt Early’ego:
niezerowy wpływ napięcia
UCE na prąd kolektora przy
stałym napięciu UBE.
Powoduje to odchylenia od
idealnego źródła prądowego.
(UBE też zależy od UCE przy
stałym IC).
∆UBE ≅ 0.0001∆UCE
.
Widać, że opór dynamiczny rE ma małą wartość i głównie zależy od natężenia prądu IC.
Zależność rE od temperatury ukryta jest w wartości UT.
Uwaga. W odróżnieniu od oporników czy kondensatorów zwanych dwójnikami,
tranzystory podobnie jak wiele układów (np. filtry) zaliczamy do czwórników. Dla
czwórników wyróżniamy dwie wielkości wejściowe U1 i I1 oraz dwie wyjściowe: U2 i I2.
Zauważmy, że przyłożenie napięcia do jakiegoś układu wymaga dwóch zacisków.
Podobnie jest z odebraniem np. wzmocnionego napięcia. Fakt ten w naturalny sposób
przyczynia się do stosowania teorii czwórników w elektronice a w szczególności do opisu
wzmacniaczy. Symbol: h21E to właśnie element tzw. macierzy He.
W przybliżeniu liniowym (tu istotne jest małe otoczenie punktu spoczynkowego
Q - quiescent point) stosowane są tzw. parametry hybrydowe:
Proste układy tranzystorowe
Źródło prądowe
Negator
Suma napięć: stałego 5.6 V
i spadku napięcia na RE
polaryzują złącze BE. Zatem
RE realizuje tzw. ujemne
sprzężenie zwrotne
stabilizujące prąd obciążenia.
5V na we. daje
0.3 V na wy. Zaś
poniżej 0.6V na
we. daje 5V na wy.
Wyłącznik żarówki
W przełączniku
mamy prąd o dwa
rzędy wielkości
mniejszy od prądu
żarówki.
Oszczędzamy
przełącznik.
Charakterystyka przejściowa
tranzystora IC = IC(UBE) -->
Charakterystyka przejściowa
układu Uwy = Uwy(Uwe).
Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn i
ograniczenie wyboru obciążenia RC. Prosta obciążenia IC = (UCC - UCE)/RC
powinna leżeć poniżej hiperboli Pmax = IC•UCE . linia odcięcia – oba złącza nie
przewodzą. Linia nasycenia – gwałtowny spadek wsp. β i utrata liniowości przy
minimalnym napięciu UCE.
Parametry i charakterystyki tranzystorów bipolarnych
Od współczynnika βst należy odróżniać współczynnik małosygnałowy β.
β = ∂ IC/∂ IB przy UCE = const.
natomiast βst = IC/IB
Gdy tranzystor pracuje z małymi sygnałami, np. w układzie wzmacniacza
liniowego wówczas charakterystyki w otoczeniu punktu pracy mogą być
zastąpione stycznymi, zwanymi parametrami małosygnałowymi lub
różniczkowymi. Oto kilka przykładów:
1. Transkonduktancja:
gm = ∂ IC/∂ UBE = (∂ IC/∂ IBE)(∂ IB/∂ UBE) = hfe/hie
w przybliżeniu gm= IC/UT=IC/25mV, dla IC=2,5 mA gm ≅ 0,1 S.
2. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wyjściowa:
rCE = ∂ UCE/∂ IC przy UBE = const.
3. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wejściowa:
rBE = ∂ UBE/∂ IB przy UCE = const.
Co z tym można zrobić? Można wyliczyć np.: wzmocnienie k u= gmRc,
rBE może być częścią dzielnika sygnału wejściowego a rCE częścią
dzielnika sygnału wyjściowego.
Wzmacniacze
Wzmacniacze są urządzeniami, w których energia ze źródeł
zasilania (zasilaczy) jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego
przy pomocy sygnału sterującego. Zwykle do wejścia wzmacniacza podawana
jest suma składowej stałej i składowej zmiennej: u(t) = U 0 + UZMIeNNE, i(t) = I0 +
IZMIENNE. Składowa zmienna jako sygnał wzmacniany zwykle jest znacznie
mniejsza od składowej stałej. Składowa stała pełni tylko rolę pomocniczą
wyznaczając punkt pracy wzmacniacza tranzystorowego. Wyróżniamy trzy typy
wzmacniaczy: WE, WB i WK.
Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE) jest dzielnikiem napięcia
utworzonym przez impedancję obciążenia i sterowaną (a zatem
zmieniającą się) impedancję tranzystora między kolektorem a
emiterem. Wyrażenie : wspólny emiter oznacza, że emiter jest
wspólną dla wejścia i dla wyjścia (uziemioną) elektrodą tranzystora.
Sygnałem wyjściowym (wzmocnionym) jest napięcie i prąd kolektora. Zmienna
składowa napięcia kolektora (określanego względem zerowego potencjału
masy i uziemionego emitera) ma fazę przeciwną (tj. odwróconą o 180 o) do fazy
sygnału sterującego - wejściowego. Wzrostowi potencjału na bazie (dodatnia
amplituda składowej zmiennej sygnału sterującego uBE) odpowiada
zmniejszenie impedancji tranzystora i napięcia na kolektorze u CE. Wzmocnienie
prądowe wynosi h21E = β. Przy znacznym wzmocnieniu napięciowym (zależnym
od obciążenia) wzmocnienie mocy jest rzędu β2.
Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (WK).
Układy WK często zwane są wtórnikami
emiterowymi. Kolektor jest tu elektrodą
wspólna dla składowych zmiennych
ponieważ jest zwarty z „ziemią” poprzez
dużą pojemność zasilacza (stałość
napięcia UCC). To znaczy, że na kolektorze jest tylko stały potencjał – brak
składowej zmiennej. Obciążenie znajduje się między emiterem a „ziemią” i
wraz z tranzystorem stanowi dzielnik napięcia. Istotne jest, że ten układ nie
odwraca fazy, powtarza zmiany napięcia wejściowego i powiększa prąd
wejściowy β-razy (wzmocnienie mocy też wynosi β). Brak wzmocnienia
napięciowego (∆Uwy/∆Uwe jest o „włos” mniejsze od 1 bo rE nie jest = 0) wyjaśnia
nazwę: wtórnik emiterowy – układ powtarza napięcie zmienne. Potencjał na
bazie jest cały czas większy od potencjału na emiterze o około 0.6 V (0.6 do
0.7 V) ponieważ tranzystor jest cały czas otwarty. Zatem potencjał emitera
„wędruje” za potencjałem bazy cały czas będąc przesuniętym o 0.6 V potrzebne do otwarcia złącza BE. Ponieważ UBE=Uwe-URobc mamy do czynienia
z ujemnym sprzężeniem zwrotnym redukującym wzmocnienie napięciowe.
Bardzo ważnym jest, że Rwe = βRobc, gdyż prąd wyjściowy jest β-krotnie
większy od prądu wejściowego. Dzięki temu układ WK jest swoistym
transformatorem impedancji i pozwala na dopasowanie małej impedancji
obciążenia do dużej impedancji źródła sygnału sterującego (wzmacnianego
prądowo).
Wzmacniacz o wspólnej bazie WB.
W tym układzie potencjał bazy jest stały a
sygnałem sterującym (wzmacnianym)
jest zmieniany potencjał emitera. Układ
ten nie zmienia fazy sygnału wzmacnianego
przy niskich częstotliwościach. Tj. wyjściowy
sygnał ma fazę zgodną z sygnałem wejściowym. Wzmocnienie prądowe
wynosi prawie 1 (jest około 1% mniejsze od 1). Wzmocnienie napięciowe jest
duże i zależy od RC. Istotną zaletą tego układu jest mała pojemność
(pasożytnicza) Cwe-wy = CEC, która faworyzuje go przy wzmacnianiu sygnałów o
wysokich częstotliwościach. Wadą jest mała rezystancja wejściowa (I E jest β +
1 razy większy od IB). Układ ten mając dużą impedancję wyjściową może
dopasowywać (przeciwnie do układu WK) dużą impedancję obciążenia do
małej impedancji źródła.
Uwaga. Przy doborze tranzystora katalogowa graniczna częstotliwość
tranzystora ft powinna być około 100 razy większa niż przewidywana granica
pasma przenoszenia wzmacniacza WE. W przypadku wzmacniaczy WK i WB
wymagania są znacznie mniejsze i ft może być nawet porównywalna z fg.
Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE).
Rezystory R1 i R2 stanowią dzielnik napięcia zapewniający spoczynkowy punkt
pracy układu (określają potencjał bazy). C1 i C3 są pojemnościami
sprzęgającymi przekazującymi tylko składową zmienną sygnału pomiędzy
kolejnymi stopniami układu. C1 jest kondensatorem wejściowym a C3
wyjściowym dla naszego układu. RE i CE zapewniają silne ujemne sprzężenie
zwrotna dla najniższych częstotliwości stabilizując tym sposobem pracę
układu.
RC jest opornikiem kolektora na którym odkłada się zmienny spadek napięcia o
amplitudzie wielokrotnie większej (efekt wzmocnienia) od amplitudy sygnału
podawanego na bazę. Faza tego sygnału jest przesunięta o 180 o (bo wyższy
potencjał na bazie wymusza większy prąd kolektora i przez to większy spadek
U na RC i niższy potencjał na kolektorze). Przed wykonaniem wzmacniacza
należy wybrać tranzystor i poznać jego parametry z odpowiedniego katalogu.
Znając parametry dobieramy wartości Ucc i Ic (Ic = Ispoczynkowe).
Rc – dobieramy tak aby Ic • Rc = Ucc/2. RE dobieramy tak aby Ic • RE = około 1V (dla
stabilności temperaturowej). R1 i R2 dobieramy tak
aby: UB=VE+0,6V ≅1,6V oraz RT (R Thevenina)
tego dzielnika nie była większa od 0,1 • Rwe
tj. RT < 0,1•β•RE. czyli R1 ≅ 0,1•β•RE.
O doborze pojemności decyduje pasmo
częstotliwości wzmacnianych sygnałów.
Klasy wzmacniaczy.
Ze względu na polaryzacje bazy tranzystora można
wyróżnić 4 tradycyjne klasy wzmacniaczy:
1) Klasa A, 2) Klasa B, 3) Klasa AB, 4) Klasa C.
Klasy wzmacniaczy.
Klasy wzmacniaczy.
Wzmacniacz klasy C
(do wzmacniania sygnałów radiowych).
Mimo zdeformowanego sygnału
w postaci prądu kolektora
obwód rezonansowy C2, R2, L1
odtwarza sinusoidalny przebieg.
Klasy wzmacniaczy.
Wzmacniacz klasy D to wzmacniacz impulsowy
(duża wydajność – ponad 80%)
Efekt Millera
Polega na tym, że pojemność
między wejściem a wyjściem
dowolnego odwracającego
fazę wzmacniacza jest
elementem ujemnego
sprzężenia zwrotnego. Takie
pojemnościowe ujemne
sprzężenie zwrotne osłabia, a
dla wyższych częstotliwości
nawet eliminuje wzmocnienie.
We wzmacniaczu o wspólnym
emiterze pojemność CCB
osłabia wzmocnienie w takim
stopniu jak pojemność
wejściowa o wartości: Cwej. =
CCB(1+kU), która z opornością
wewnętrzną źródła stanowi filtr
dolnoprzepustowy.
Sposoby eliminacji efektu Millera
Jednowejściowy
wzmacniacz różnicowy
Przykład 9.4. Wyznaczyć rezystancję rezystora Rc oraz zakres zmian napięcia
wyjściowego w układzie termometru diodowego.
Dane; Ucc = 12 V, β = 180; UBE = 0,7V RS = 500 Ω RB = 10 k Ω.
Zakres zmian UD 0,92 – 1,26 V przy zmianie T 0 - 100°C.
Rozw. Musimy tak dobrać elementy układu aby
dla środkowej wartości zmian napięcia diody 1,1V
wyjściowe napięcie wynosiło też środkową
wartość napięć kolektora czyli 6 V: połowę z 12 V
(dla minimalnych zniekształceń). Obliczamy parametry
punktu spoczynkowego Q: IBQ = (UDQ – UBEQ)/RB =
= (1,1 - 0,7)/10000 = 40 µA. Stąd ICQ = β IBQ = 180×40
= 7,2 mA, zatem RC = (UCC – UCEQ)/ICQ = (12 V – 6 V)/7,2 mA
= 0,833 kΩ.
Uout gr1 = UCC – RCβIBgr1 = 12 - 833 ×180×((1,26 - 0,7)/10000 = 3,6 V
Uout gr2 = UCC – RCβIBgr2 = 12 - 833 ×180×((0,92 - 0,7)/10000 = 8,7 V
Odp. RC = 833 Ω, Zakres napięć wyjściowych: 3,6 – 8,7 V.
Rezystancja wewnętrzna woltomierza jest duża (zwykle więcej niż 1 MΩ)
zatem
wpływ tej rezystancji na wskazania woltomierza jest do zaniedbania.
Po roku 1990 pojawiły się nowe technologie
tranzystorów, oparte na takich materiałach jak: InP, SiC,
GaN i innych (ostatnio nawet z grafenu), co zapewniło
aplikacje w znacznie szerszym zakresie częstotliwości,
nawet GHz.
Oznaczenia tranzystorów
niestety nie są jednolite. Tu pozostaje zaglądanie do katalogów producentów
tranzystorów. Obecnie dobrym ułatwieniem jest internet. Można tam oczywiście
wyszukać niemal wszelką informację o tranzystorach, pewnego sprytu wymaga
jednak dobór haseł w wyszukiwarkach.
Przykładowe strony:
http://www.marsport.org.uk/smd/mainframe.htm
http://www.diodes.com/
http://www.ti.com/lit/ml/scyb004b/scyb004b.pdf
Wiele firm stosuje jednak pewne standardowe oznaczenia:
Zwykle pierwsze litery oznaczają producenta.
Rodzina układów bipolarnych z początkiem nazwy: „74”
stosuje:74L - Low power – slow, H - High speed, S – Schottky, LS - Low Power
Schottky, AS - Advanced Schottky, ALS - Advanced Low Power Schottky, F - Fast
(similar to AS).
http://en.wikipedia.org/wiki/7400_series#cite_note-5
Przykładowe dane techniczne tranzystora
Wartości graniczne
Tranzystory polowe FET
(field effect transistors)
W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych tranzystory polowe są
sterowane polem elektrycznym, w zasadzie bez prądu a zatem bez poboru
mocy (zależnie od typu tranzystora oporność wejściowa może wynosić 10 8 Ω
do około 1014 Ω). Ta cecha powoduje, że tranzystory polowe są jak dotąd
niezastąpione w budowie układów o dużej skali Integracji - scalenia (LSI) jak
mikroprocesory, pamięci itp. Elektrodą sterującą jest bramka G (gate), której
potencjał wpływa na rezystancję między dwoma innymi elektrodami: drenem D
(drain) i źródłem S (source).
RDS on = 0,03 do kilkudziesięciu Ω, RDS off = wiele MΩ,
Moc tracona na ciepło: Pstrat = I2RDS on
Przykładowy obwód z tranzystorem polowym
W tranzystorach polowych szerokość przewodzącego
kanału w półprzewodniku regulowana jest polem
elektrycznym. Tranzystory FET można zatem traktować
jako oporniki sterowane napięciem lub jako źródła
prądowe sterowane napięciem. Elementem
sterującym jest elektroda zwana bramką. Prąd w tej
elektrodzie, odizolowanej warstwą tlenku lub szerokim
(bo zaporowo spolaryzowanym) złączem pn od reszty
tranzystora, jest znikomy. Potrzebne jest tylko
ulokowanie niewielkiego ładunku aby uzyskać na
bramce pożądany potencjał. Kanał przewodzący w
tranzystorze polowym może być dwojakiego rodzaju: typ
n (przewodnictwo elektronowe) albo typ p
(przewodnictwo dziurowe).
(Kanał w postaci prawie dwuwymiarowej warstwy mobilnych nośników ładunku
wykazuje interesujące własności kwantowe, szczególnie widoczne w niskich
temperaturach i silnych polach magnetycznych).
Tranzystor polowy złączowy JFET
Jest typem tranzystora, w którym prąd między elektrodami S i D (źródła i
drenu)
jest kontrolowany napięciem przyłożonym do trzeciej elektrody G (bramki).
Na rysunku mamy przykład tranzystora JFET z kanałem przewodzenia typu n
(pomiędzy źródłem i drenem). Kanał ten jest otoczony materiałem typu p + co
zapewnia istnienie złącza pn, które polaryzowane jest zaporowo. Pamiętamy,
że polaryzacja zaporowa oznacza powiększanie obszaru pozbawionego
mobilnych nośników prądu. Silniejsze domieszkowanie bramki oznacza, że
po stronie kanału obszar nieprzewodzący jest większy co pociąga za sobą
szybki zanik kanału w wyniku polaryzacji złącza. Napięcie VGS(off), przy
którym znika kanał i prąd drenu jest wyzerowany nazywamy napięciem
odcięcia.
Tranzystory JFET przy zerowym napięciu
sterującym są otwarte - inaczej niż u bipolarnych.
Różny od bipolarnych jest też zakres napięć UGS ≈ 4 V od napięć UBE ≈ 0,1 V!
To oznacza mniejszą transkonduktancję w tranzystorach polowych.
MOSFET (metal-oxide-semiconductor FET)
Czy widać podobieństwo w działaniu FET-ów i triody?
6 typów tranzystorów polowych Cztery pierwsze FET-y normalnie (przy U
GS
= 0)
przewodzą, przewodzenie znika dopiero przy znacznym IUGSI. Dwa ostatnie przy małym IUGSI nie przewodzą.
Mniej strome niż u tranzystorów bipolarnych!
FET Najważniejsze parametry:
UGS(OFF) - Napięcie odcięcia bramka-źródło, czyli napięcie jakie należy doprowadzić do
bramki, aby przy ustalonym napięciu UDS wyzerować prąd drenu.
UGSmax - Dopuszczalne napięcie bramka-źródło. Typowe wartości: ±15...±20 V,
UP (UGSth) - Napięcie progowe, które należy doprowadzić dla otwarcia (zamknięcia)
tranzystora.
IDSS - Prąd nasycenia w drenie przy napięciu UGS = 0 i określonym napięciu UDS.
ID(OFF) - Prąd wyłączenia - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem
wyłączającym tranzystor.
RDS(ON) - Rezystancja statyczna włączenia (rezystancja między drenem a źródłem)
tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki. Typowo 0,03 - 30 Ω.
RDS(OFF) - Resystancja statyczna wyłączenia (rezystancja między drenem a źródłem)
tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia.
UDSmax - Dopuszczalne napięcie dren-źródło.
IDmax - Dopuszczalny prąd drenu.
Ptot max - Dopuszczalne straty mocy.
IGmax - Dopuszczalny prąd bramki.
gm = dID/dUGS – Transkonduktancja.
gds = dID/dUDS – Konduktancja wyjściowa.
kU = gm/gds
4 typy tranzystorów polowych – komercyjnie
dostępnych
3 typy tranzystorów polowych – najczęściej
stosowane w praktyce
Dla tranzystorów polowych poniżej progu
otwarcia ID ∝ exp(VGS), ale powyżej progu ID =
k(VGS - VP)2 co daje
transkonduktancję: gm = ∂ID/∂UGS = 2(k ID)1/2
Jest ona mała (około 4 mS dla charakterystyki
przejściowej obok) w porównaniu z gm =
IC/25mV dla tranzystorów bipolarnych.
Przykładowa charakterystyka wyjściowa
pokazuje dwa obszary zależności ID od UGS.
Dla obszaru liniowego:
ID = 2k[(UGS - UP)UDS - (UDS)2/2]
(tu robimy rezystory).
Dla obszaru nasycenia:
ID = k(UGS - UP)2
(tu robimy źródła prądowe).
Źródło prądowe z tranzystora JFET.
Aby zrozumieć stabilizację prądu
płynącego przez obciążenie wystarczy
spojrzenie na charakterystykę
ID = ID(UDS). Widać, że dla napięć UDS
powyżej około 3 V prąd ID jest prawie
stały. Niestety wartość tego prądu zależy od egzemplarza
tranzystora.
Dodając opornik R do obwodu źródła
S możemy dobrać pożądaną wartość
stabilizowanego prądu (poprzez
automatyczne polaryzowanie bramki
- samopolaryzacja).
Wtórniki źródłowe (wzmacniacze o wspólnym drenie)
Wzmacniacz o wspólnym źródle.
Ze względu na małą transkonduktancję tranzystorów polowych
b.dobrym rozwiązaniem jest układ wzmacniacza WE
z tranzystorem bipolarnym, na wejściu którego znajduje się
wtórnik źródłowy. Całość ma olbrzymią impedancję wejściową i
dobrą transkondutancję.
Zasada działania inwertora (negatora) CMOS.
Komplementarna para tranzystorów polowych zapewnia
minimalną (niemal zerową) moc traconą na podtrzymanie stanu
logicznego (0 lub 1). W obu przypadkach nie ma prądu (tj.
przepływu ładunku) do „masy”. Dla sterującego stanu wysokiego
mamy na wyjściu stan niski: kanał w T1 zatkany
a w T2 otwarty. Dla stanu niskiego na wejściu
układu; mamy kanał w T1 otwarty a w T2
zamknięty. W CMOS moc tracona jest tylko
w momencie przełączania. To daje przewagę
tranzystorom polowym w wielu
zastosowaniach zwłaszcza przy
dużej skali integracji.
Uwaga! Ciało ludzkie to około 100pF pojemności
elektrycznej, która może ładować się (potarcie o dywan,
koszulę itp.) do napięć rzędu 10kV. Ładunek taki
przebija i niszczy cienką warstwę tlenku w tranzystorach
polowych MOS! Zatem nie dotykamy
zacisków tranzystorów polowych (i „kości” z takimi
tranzystorami) przed ich wlutowaniem do układu!
Przełącznik analogowy „klucz”.
Ważne parametry klucza to:
Rezystancje w stanie włącz. i w stanie
wyłącz., zakres napięć, czasy przełączania.
Multiplekser analogowy
Przełączniki (klucze) z tranzystorami polowymi znalazły
swoje ważne zastosowanie w multiplekserach.
W multiplekserze na pojedyncze wyjście przechodzi
sygnał z tego wejścia, którego adres jest aktualnie
ustawiony (cyfrowo) na szynie adresowej.
Elektronika lista zadań 9
1) Oblicz wzmocnienie napięciowe kU
układu przedstawionego na rys. wiedząc,
że Rs = 1 Ω, ri = 24 Ω, rw = 100 Ω,
Ro = 5 kΩ a µ = 250.
2. Wiedząc, że woltomierze pokazały napięcia: V1 = 2 V,
V2 = 1,3 V i V3 = 8 V. Oblicz wartość wzmocnienia
prądowego β.
3. Oblicz spoczynkowe wartości IB, IC, UCE oraz
Wzmocnienie prądowe β. Dane: R1 = 100 kΩ, R2 = 50 kΩ,
RC = 5 kΩ, RE = 3kΩ, UCC = 15 V, UBE = 0,7 V.
dane triody: ρa = 200 Ω, µa = 100 oraz
wartość Ra = 1,8 kΩ oblicz wzmocnienie napięciowe
układu kU:
4. Mając