wyklad 4 PA tranzystor + wzmacniacz
Transkrypt
wyklad 4 PA tranzystor + wzmacniacz
Tranzystor TRANZYSTORY BIPOLARNE ZŁĄCZOWE Bipolar Junction Transistor - BJT Tranzystor bipolarny to odpowiednie połączenie dwóch złącz pn: p n p n emiter kolektor p Emiter (n) Kolektor (n) emiter kolektor baza n baza Baza (p) Budowa tranzystora w technologii planarnej: PRZYKŁAD STRUKTURY TRANZYSTORA PLANARNEGO Pierwszy tranzystor - 1947 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley ENIAC (1947) 18 000 lamp elektronowych masa: ponad 27 ton, powierzchnia ok. 140 m2 "Nature abhors the vacuum tube." J.R. Pierce, Bell Labs engineer who coined the term 'transistor' 1 Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp a) Układ niespolaryzowany (brak wymuszonej polaryzacji zewnętrznej) Bariera potencjału na złączu emiter-baza i na złączu kolektor-baza c) Złącze emiter-baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem UBE kolektor baza emiter p n p potencjał Φ dziury z emitera nie przenikają do Φ Następnie dziury dyfundują do kolektora, Płynie prąd IC w gałęzi kolektora EE B B potencjał Φ-UBE Φ+UCE na złączu E-B, czyli „opór” między emiterem i kolektorem spolaryzowanym złączu baza-kolektor TRANSISTOR = TRANSfereable rezISTOR. C Wysokość bariery potencjału na B potencjał E Φ Φ+UCE Brak przepływu prądu w obwodzie Tranzystor npn działa analogicznie przy odwrotnej polaryzacji Kierunek przepływu nośników prądu jest taki sam: emiter kolektor Nośnikami prądu kolektora są elektrony Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym złącze B-E baza CC IE Napięcie UBE określa wysokość bariery potencjału UCE Napięcie UCE odkłada się na zaporowo kolektor - + IB (warunek: niewielka rekombinacja dziur w bazie) - + złącze B-C UBE IC Dziury z emitera dyfundują do bazy, rekombinacji i generacji złączu emiter-baza bez zmian. UCE - + Bariera potencjału na złączu E-B maleje, kolektora, równowaga dynamiczna prądów b) Zewnętrzne źródło polaryzacji układu emiter-kolektor (baza na potencjale nieustalonym zewnętrznie) c.d. Działanie tranzystora bipolarnego złączowego pnp emiter UCE - + - + IB C prąd emitera Efekt tranzystorowy zachodzi gdy: prąd kolektora C B B poten cjał IE=IC+IB IC UBE IC IE EE Φ -U BE Φ +U C E oba złącza są monokrystaliczne IB = prąd bazy prąd rekombinacji elektronów w emiterze + prąd rekombinacji dziur w bazie Prąd emitera IE - dyfuzja dziur z emitera do bazy Procesy rekombinacyjne: niewielka część dziur rekombinuje w bazie elektrony z bazy dyfundują do emitera, gdzie takŜe rekombinują jeśli baza odpowiednio cienka, większość dziur z emitera dociera do złącza B-C dziury wpływające do kolektora tworzą prąd kolektora IC 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 niŜ obszar bazy; prąd płynący od strony emitera 103 – 105 razy większy niŜ prąd od strony bazy Wypływ prądu IB z bazy do zewnętrznego źródła: równowaŜy procesy rekombinacyjne utrzymuje wysokość bariery potencjału baza - emiter na odpowiednim poziomie 2 Zachodzi relacja: I E = IC + I B oraz prąd IC jest proporcjonalny do prądu IB Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora: β = h21E = WZMACNIACZE TRANZYSTOROWE IC IB Wzmacniacz to układ elektroniczny, w którym zwykle β≈100, o ile zewnętrzne źródła zezwalają IC energia z układu zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego IC 0.5 A ZASILANIE 5 4 WEJŚCIE 3 WYJŚCIE Sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego 2 1 IB=0 mA WYPROWADZENIE WSPÓLNE UCE Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora UP UBE Wzmacniacz tranzystorowy Prąd kolektora IC narasta β-razy szybciej niŜ prąd bazy IB Prąd kolektora słabo zaleŜy od napięcia kolektor-emiter (UCE). specjalny, sterowany dzielnik napięcia zasilającego Jednym z rezystorów w tym dzielniku jest tranzystor Wprowadzenie prądu do bazy (wywołanie przepływu prądu kolektora) jest moŜliwe, gdy napięcie UBE przekroczy napięcie przewodzenia złącza danego typu (0.65 V dla krzemu, 0.35 V dla germanu) zasilanie E + E + E WE + RL + WY RL WY WY WE o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy kształt sygnału wejściowego (sterującego): WY WY E RL o wspólnym emiterze RL WY + WŁASNOŚCI WZMACNIACZY WE RL E RL WE zasilanie E + WE Trzy podstawowe układy wzmacniające z tranzystorem bipolarnym: WE uWE(t) = UWE cos(ωt) +UWE0 • podkład stały UWE0 • składowa zmienna harmoniczna o amplitudzie UWE Sygnał uŜyteczny (niosący informację): składowa zmienna o wspólnym emiterze o wspólnym kolektorze o wspólnej bazie Zakładamy Inne wyspecjalizowane wzmacniacze: • tę samą postać napięcia wyjściowego i wejściowego są modyfikacjami, ewentualnie kombinacjami układów podstawowych. • tę samą postać prądu wyjściowego i wejściowego czyli wzmacniacz pracuje w zakresie liniowym 3 IC = β ⋅ I B Przypomnienie: I E = IC + I B I E = (β + 1) ⋅ I B Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (wtórnik emiterowy) • prąd wejściowy = prąd bazy • prąd wyjściowy = prąd kolektora => UWY = UWE - UBE + Wzmacniacz o wspólnym emiterze: UWY UWE − U BE = <1 UWE UWE czyli: brak wzmocnienia napięciowego IWY = IWE ⋅ β duŜe wzmocnienie prądowe UWY = E − IWY * RL + prąd wejściowy = prąd bazy prąd wyjściowy = prąd emitera o wspólnym emiterze czyli Dla duŜego oporu rezystora RL następuje na nim duŜy spadek napięcia, a więc o wspólnym kolektorze IWY = IWE ⋅ ( β + 1) wzmocnienie prądowe jest duŜe duŜe wzmocnienie napięciowe • zgodne fazy sygnału wyjściowego i wejściowego duŜe wzmocnienie mocy zachodzi odwrócenie fazy napięcia wyjściowego względem wejściowego Wzmacniacz o wspólnej bazie: prąd wejściowy = prąd emitera: + PODSUMOWANIE IWE = I B ( β + 1) prąd wyjściowy = prąd kolektora: Wzmacniacz o: IWY = I B β wzmocnienie prądowe: IWY β = <1 IWE β + 1 o wspólnej bazie brak wzmocnienia prądowego przy odpowiednio duŜym oporze rezystora RL moŜna uzyskać duŜe WSPÓLNYM EMITERZE WSPÓLNYM KOLEKTORZE WSPÓLNEJ BAZIE N r 1 Wzmocnienie napięciowe duŜe <1 duŜe 2 Wzmocnienie prądowe duŜe duŜe <1 3 Przesunięcie fazowe WE-WY 1800 00 00 4 Pasmo przenoszenia małe średnie duŜe zmiany napięcia na wyjściu czyli moŜliwe duŜe wzmocnienie napięciowe napięcie wyjściowe zgodne w fazie z napięciem wejściowym 4 WYZNACZANIE PUNKTU PRACY TRANZYSTORA USTALANIE OPTYMALNEGO PUNKTU PRACY TRANZYSTORA graficzna analiza charakterystyk UWE 1. (ustalanie wejściowego prądu składowej stałej) Schemat postępowania: • efekt „prostowania jednopołówkowego” dla sygnałów UWY sinusoidalnych, poniewaŜ tranzystor pracuje liniowo tylko wtedy, gdy napięcie UBE 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) czas UWE czas UW układem polaryzacji (określenie punktu pracy tranzystora) RL Rb Kondensatory C1 i C2 słuŜą do odseparowania podkładu WY C2 WE IB0 E prosta obciąŜenia E-RLIC przestrzeń punktów pracy ogranicza się do E prostej opisanej równaniem: UCE=E - RL *IC (tzw. prosta obciąŜenia) RL Rb E prąd polaryzacji bazy tranzystora ze źródła zasilania przez opornik Rb ustalający składową stałą na wejściu. PUNKT PRACY E/RL 2. Tranzystor pracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem RL Układ automatycznego dodawania podkładu stałego jest Przykład: 1. Przestrzeń punktów pracy (UCE, IC), w jakich moŜe znajdować się tranzystor jest ograniczona przez hiperbolę maksymalnej dopuszczalnej cieplnej mocy strat tranzystora, określonej w katalogu przez producenta: PMAX=IC * UCE Hiperbola mocy PMAX=ICUCE IC C1 stałego od wejścia i wyjścia wzmacniacza (sprzęŜenie AC). układ wspólny emiter PASMO WZMOCNIENIA I PASMO PRZENOSZENIA UCE E RL Rb Napięcie zasilania E oraz opór RL dobieramy WY tak, by prosta obciąŜenia była styczna do C2 WE przebiegała hiperboli mocy (lub poniŜej) C1 WE WY C2 C1 R2 3. Odczytujemy optymalny prąd stałego podkładu IB0, wyznaczamy wartość opornika Rb z r-nia : E-0.65V=IB0 * Rb układ wspólny emiter Efekt Millera Pasmo wzmocnienia (przenoszenia) wzmacniacza określone jest przez: • własności tranzystora (wielkości pasoŜytnicze) • sposób współdziałania tranzystora z obwodem wzmacniacza • podłączenia wejścia i wyjścia wzmacniacza E SprzęŜenie między kolektorem a bazą w postaci filtra dolnoprzepustowego tworzonego przez: Ckb , rbb oraz rezystancję źródła sygnału RWYG PasoŜytnicze elementy tranzystora rzeczywistego: rozproszona rezystancja bazy rbb , pojemności emiter-baza Ceb i kolektor-baza Ckb ograniczenie pasma przenoszenia wzmacniacza w układzie o wspólnym emiterze Ckb WY RWYG r bb wzmacniacz źródło sygnału sygnały wyjściowe i wejściowe są przeciwne w fazie K K Ckb B <≡> ujemne sprzęŜenie zwrotne wyjścia (kolektor) z wejściem (baza) W układzie o wspólnym kolektorze słaby wpływ efektu Millera, gdyŜ kolektor tranzystora jest połączony z niskorezystywnym źródłem zasilania B rbb Ceb E rbb i Ceb tworzą filtr dolnoprzepustowy, który bocznikuje złącze baza-emiter E W układzie o wspólnej bazie nie ma oddziaływania wyjścia wzmacniacza na wejście przez pojemność Ckb, gdyŜ baza ma ustalony potencjał. zmniejszenie prądu sterującego tranzystor przy wysokich częstościach Skutek: współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstości Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez częstość graniczną fT: powyŜej częstości fT współczynnik wzmocnienia prądowego β < 1 β Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtra: 1001 Uwy Uwe k (ω ) = ωg UWY 2UWE k0 jω 1+ MAX 1/ 2 = 07 . ... 100,1 1 dla częstości granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o 1 2 w stosunku do wzmocnienia maksymalnego częstość graniczna tranzystora : β(fT)=1 Pasmo przenoszenia 0,01 10 100 1000 częstość 10000 fT ωg Częstość 5 Instrukcja do ćwiczenia „Tranzystor bipolarny – wzmacniacz tranzystorowy Część I Część II Napięcie E z generatora: Zbudować wzmacniacz w układzie :wspólny emiter”: sygnał liniowo narastający od 0V do 5 V i zasilić układu napięciem stałym E=+8 V częstości około 1000 Hz (sygnał trójkątny) zmierzyć za pomocą woltomierza napięcie kolektora dobrać wartość opornika regulowanego RB1 by UCE= 4 V optymalny punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu UWE – zmienny sygnał sterujący bazą Zbudować obwód: UWY – napięcie na kolektorze Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza – UWY(UWE) Wejście układu: sygnał sinusoidalny o częstości około 1000 Hz Napięcie UWE : • stałe napięcie z zasilacza regulowane w zakresie od 0 do 10 V • mierzymy za pomocą woltomierza IC = E − UWY RL IB = Mierzymy UWY(UWE) w całym zakresie mierzalnych amplitud wejściowych. Określamy zakres amplitud UWE, dla których wzmacniacz pracuje liniowo. Dla tego zakresu wyznaczamy wzmocnienie wzmacniacza k, dopasowując do danych doświadczalnych prostą typu UWY=k * UWE U WE − 0.65V RB IC UCE=UWY 0.5 A 5 4 3 2 wyznaczyć charakterystyki IC(UCE); parametr: prąd bazy IB 1 IB=0 mA wykreślić rodzinę charakterystyk tranzystora. UCE Wyznaczenie charakterystyki częstościowej wzmacniacza: wzmocnienie w funkcji częstości: k (ω) Amplitudę sygnału wejściowego naleŜy dobierać tak, by w całym zakresie badanych częstości (10 Hz - 1 MHz) sygnał był przetwarzany liniowo TRANZYSTORY POLOWE TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE (Junction Field Effect Transistors) ANALIZA Wyznaczyć częstości graniczne Układ róŜniczkujący jω ω g1 UWY = UWE jω 1+ Układ całkujący Układ całkujący Pojemność i rezystancja wejściowa wzmacniacza UWY 1 = UWE jω wzmocnienie k ω g1 wpływ sprzęŜenia 2-1/2kmax ωg 2 wpływ tranzystora Pojemność i rezystancja wyjścia ωg1 pasmo ωg2 częstość Rezystancja wejściowa (GATE – SOURCE) tranzystora sięga 109 Ω Filtr górno- dolno-przepustowy: 1 ωg = RC 6 ZJAWISKA LINIOWE I NIELINIOWE TRANZYSTORY POLOWE Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ Isolated Gate Field Effect Transistors Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET) Xprzyczyna(t) => PROCES => Xskutek(t) Xs Xs Xp Proces liniowy: Xs(t)=k*Xp(t) Xp Proces nieliniowy: Xs(t)= nieliniowa funkcja [Xp(t)] Większość elementów elektronicznych to elementy nieliniowe. Przykłady: diody, tranzystory, tyrystory, lampy elektronowe itd. Rezystory, kondensatory i cewki to elementy liniowe (w dobrym przybliŜeniu) Opór bramki względem podłoŜa sięga 1012-1014 Ω tranzystory MOSFET w wersjach: wstępnie otwarty lub wstępnie zamknięty Nieliniowy Liniowy I E2 R1 I E2 R1 U 2 = E − R1 ⋅ I U I= 2 R2 E1 R1 Nieliniowe układy elektryczne I = f (U ) U 2 = E − R1 ⋅ I 1 rd I = f (U 2 ) E1 R1 I element nieliniowy R E U = E − R⋅I E R 1 R I = f (U ) IX ∝ 1 R2 ∝ U2 U1 E R2 E1 ∝ 1 R1 U2 ∝ E2 U U1 U2 R1 1 R1 U2 U1 U 2 = E − R1 ⋅ I U1 (E ) = R1 = const U2 R2 R1 E1 ∝ 1 R1 E2 U1 E U2 U1 E = U1 + U 2 U 2 = E − R1 ⋅ I U1 (E ) ≠ const U2 E UX U U1 U2 E = U1 + U 2 1 R1 rezystancja zwykła: R= UX IX dU rezystancja róŜniczkowa (dynamiczna): rd = dI dla elementów nieliniowych: R ≠ rd IX U UX I =I X E U w elementach nieliniowych amplituda natęŜenia prądu I nie jest liniową funkcją amplitudy napięcia U ∞ w ogólności wyraŜa się szeregiem: I = ∑ snU n n=0 7 Mieszanie częstości w układzie nieliniowym (przykład) ZJAWISKA NIELINIOWE X p (t ) = A ⋅ cosω1t + B ⋅ cosω 2t Xprzyczyna(t) => PROCES => Xskutek(t) ♦ Proces nieliniowy (przykład): Xs(t)=k*[Xp(t)+ε*Xp2 (t)] ZałoŜenie: Xp(t) = cos(ωt) X s (t ) = k ⋅ X p (t ) + k ⋅ ε ( A cos ω1t + B cos ω 2t ) = 2 = k ⋅ X p (t ) + k ⋅ ε ( A2 cos 2 ω1t + B 2 cos 2 ω 2t + 2 AB cosω1t cos ω 2t ) Xs Xs(t) = k*[cos(ωt) + ε*cos2(ωt)] X S (t ) = k[cos ωt + ε 2 ε + ⋅ cos( 2ωt )] 2 ε<<1 PROCES NIELINIOWY: Xs(t)=k*[Xp(t)+ε*Xp2 (t)] ε<<1 AB[cos(ω1 + ω2 )t + cos(ω1 − ω2 )t ] Xp 1 cos 2 θ = (1 + cos 2θ ) 2 składowe sygnału Xs: ω1, ω2, 2ω1, 2ω2, ω1+ω2, |ω1−ω2| W procesie nieliniowym powstała fala o dwóch składowych częstości: podstawowej: ω drugiej harmonicznej: 2ω stała ε/2 przesunięcie wartości średniej – wyprostowanie (rektyfikacja) Procesy nieliniowe => dodatkowe częstości u(t) modulacja amplitudy 2π 2π ω1 ω2 jeśli ω2 znacznie większe od ω1 (ale porównywalne) modulacja amplitudy fali o częstości ω2 z częstością ω1 czas C (t ) ∝ cos ω1t funkcja modulacji amplitudy fali podstawowej WIDMO SYGNAŁU, SKŁADOWE HARMONICZNE Twierdzenie Fouriera : jeŜeli funkcja u(t) jest okresowa (periodyczna) o okresie T, to moŜna ją przedstawić w postaci sumy szeregu harmonicznego: ∞ u (t ) = ao + ∑ a n cos( nω 0 t ) + ∑ bn sin( nω 0 t ) n =1 n =1 T T T 2 2 a n = ∫ u (t ) cos(nω 0 t )dt T −T 2 1 2 a0 = ∫ u (t )dt T −T 2 Cn = a + b 2 n Po przekształceniach i podstawieniu: KaŜdą funkcję periodyczną moŜemy przedstawić w postaci: 2 n bn = 2 2 ∫ u (t ) sin( nω 0t ) dt T −T 2 φ n = arctg bn an ∞ u (t ) = a o + ∑ C n cos( nω 0 t + φ n ) n =1 nω0 - częstości kolejnych składowych harmonicznych gdzie: f (t ) = 2π ω0 = T ∞ φn sin ω0t 1 sin 3ω0t 3 1 sin 5ω0t 5 - fazy kolejnych składowych harmonicznych f (t ) = Cn – amplitudy kolejnych składowych harmonicznych Zbiór trójek liczb: (C n , nω 0 , φ n ) jest widmem sygnału u(t) 4 π 1 1 (sin ω0t + sin 3ω0t + sin 5ω0t + ....) 3 5 C składowe o częstościach nω0 – składowe harmoniczne Funkcja okresowa charakteryzuje się widmem dyskretnym !!! t ω0 3ω0 5ω0 7ω0 9ω0 8 Zastosowania układów nieliniowych WZBOGACANIE WIDMA SYGNAŁU W UKŁADACH NIELINIOWYCH ω, 2ω, 3ω, .... uWY(t) uWE(t) t WE sygnał sinusoidalny WY C Źródło: sygnał harmoniczny ω układ nieliniowy ω nω t C ω0 ω POWIELACZ CZĘSTOŚCI układ nieliniowy generator kombinacja harmonicznych sygnału wejściowego ω0 2ω0 4ω0 5ω0 U WE (t ) = A cos(ω0t + φ ) sygnał wyjściowy obwodu: spadek napięcia na rezystorze R Zgodnie z twierdzeniem Fouriera: ∞ UWY (t ) = ∑ Dn ( A cos(ω0t + φ ) ) n =0 ∞ wybór składowej o danej częstości nω ω1, 2ω1, 3ω1, ... ω2, 2ω2, 3ω2, ... ω1+ω2, |ω1-ω2|, ... ..., 2ω1+ω2, ..., |ω1-2ω2|, ... n ω1 UWY (t ) = ∑ Cn ⋅ cos( nω0t + φn ) filtr rezonansowy nω1+mω2 MIESZACZ CZĘSTOŚCI n =0 ω2 Widmo sygnału wyjściowego jest bogatsze niŜ widmo sygnału wejściowego !!! (pojawiają się składowe o częstościach ω0, 2ω0, 4ω0 itd.) układ nieliniowy filtr rezonasowy składowe o częstościach interkombinacyjnych UWAGA: Układy liniowe (np. układy RLC) zmieniają widmo sygnału oddziaływując na amplitudę i fazę poszczególnych składowych harmonicznych. Jednak układy liniowe nie wzbogacają widma sygnału MODULACJA AMPLITUDOWA (AM) modulacja amplitudy: przekazywanie informacji o częstości Ω za pomocą fali nośnej o częstości ω0 ω Technika nieliniowa => odbiór informacji przekazywanej drogą radiową u(t) antena u (t ) = U 0 [1 + m sin( Ωt )]sin(ω 0t ) 0 ≤ m ≤1 Po przekształceniach Najprostszy odbiornik głębokość modulacji 1 U (t ) = U 0 sin(ω 0t ) + mU 0 {cos[(ω 0 + Ω)t ] − cos[(ω 0 − Ω)t ]} 2 modulator (mieszacz) filtr rezonasowy wzmacniacz mikrofon Ω ω0, ω0+Ω ω0-Ω Ω słuchawka wybór stacji nadawczej czyli częstości ω0 filtr rezonansowy filtr dolnoprzepustowy detektor - element nieliniowy ω0-Ω W układzie nieliniowym: mieszanie składowych przebiegu zmodulowanego amplitudowo wzmacniacz w widmie wyjściowym: składowa niskiej częstości Ω (informacja) ω0 ω0/n detektor wybór sygnału informacyjnego o częstości Ω ω0 ω0+Ω ω Nadajnik (radiowy) powielacz ω0 ω0+Ω ω0-Ω czas Widmo fali zmodulowanej amplitudowo złoŜone z trzech składowych o częstościach: ω0 (fali nośnej) oraz ω0+Ω i ω0-Ω (wstęg bocznych) generator Zjawiska nieliniowe podstawą elektroniki kwantowej - techniki laserowej, radiotechniki ODBIORNIK: DEMODULACJA FALI ZMODULOWANEJ AMPLITUDOWO 2π 2π Ω wybór określonej składowej antena Odbiorniki detektorowe: wykorzystywane do odbioru tylko bardzo silnych stacji 9