TRANZYSTORY POLOWE

55
WYKŁAD 6
TRANZYSTORY POLOWE
TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE
(Junction Field Effect Transistors)
Tranzystor
polowy
złączowy
zbudowany jest z półprzewodnika (w tym
przypadku typu p), w który wdyfundowano
dwa obszary bramki (w tym przypadku typu
n). Między źródłem a drenem prąd może dren (D)
płynąć tylko kanałem, który ograniczony jest
obszarami złącza z bramką, czyli strefami
ładunku
przestrzennego,
o
wysokiej
oporności.
Jeżeli
bramka
zostanie
spolaryzowana w kierunku zaporowym
bramka (G)
względem
kanału,
strefa
ładunku
przestrzennego poszerzy się, co spowoduje
zwężenie kanału i zwiększenie rezystancji
tranzystora między źródłem i drenem. W
związku ze spadkiem napięcia wzdłuż kanału
szerokość jego maleje wraz ze wzrostem
odległości od drenu.
Gdy różnica potencjałów między
kanałem i bramką jest dostatecznie duża, strefy
ładunku przestrzennego obu obszarów bramki
D
łączą się i kanału jest odcinany. Następuje
stabilizacja prądu drenu ID.
Sterowanie tranzystora polowego
złączowego (regulacja oporności jego kanału)
odbywa się poprzez regulację napięcia
zaporowego złącza bramka - kanał. Dzięki
temu rezystancja wejściowa tego tranzystora
sięga 109Ω.
typ n
źródło (S)
kanał (typ p)
typ n
UDS
S
UGS
U DS
napiecie odciecia
ID
0
1
2
D
S
3
4
6
UGS=7 V
UDS
U GS
56
TRANZYSTORY POLOWE Z
bramka
(G)
IZOLOWANĄ BRAMKĄ
metal
SiO2
Isolated Gate Field Effect Transistors
Metal Oxid Semiconductor Field Effect
Transistors
n
dren
(D)
n
p
źródło
(S)
Tranzystor polowy z izolowaną
bramką jest zbudowany z krzemu.
Rozważymy
przykład
tranzystora
podłoże (B)
zbudowany na podłożu (Bulk) typu n. W
podłoże wdyfundowano dwa obszary typu p,
tworzące źródło (Source) i dren (Drain). Powierzchnię tranzystora utleniono wytwarzając
kilkumikronową izolującą warstwę SiO2, na którą położono warstwę metalu, stanowiącą
bramkę. Opór bramki względem podłoża sięga 1012-1014 Ω.
Przyłożenie napięcia między źródło i dren nie spowoduje przepływu prądu, ponieważ
dla dowolnego kierunku tego napięcia jedno ze złącz : źródło-podłoże lub dren-podłoże, jest
spolaryzowane zaporowo.
UGB
Spolaryzowanie
bramki
dodatnio
względem podłoża powoduje zgromadzenie
G
się tuż pod warstewką SiO2 mniejszościowych
elektronów i odepchnięcie dziur. Lokalnie kanał
koncentracja
elektronów
przewyższa
koncentrację dziur. Powstaje obszar o
własnościach podobnych do półprzewodnika
S
D
typu n. Dzięki temu znikają złącza pn między
źródłem, kanałem i drenem. Wówczas prąd
może przepłynąć w obwodzie drenu.
B
Zmieniając napięcie bramki względem
podłoża zmienia się szerokość kanału, a tym
samym oporność między źródłem i drenem.
Przepływ dużego prądu przez kanał
wywołuje spadek napięcia wzdłuż jego długości, co
jest przyczyną zmiennej szerokości kanału. W
UDS
pewnych warunkach kanał może zostać odcięty.
UGS
napiecie odciecia
ID
0
1
D
S
2
3
4
6
UGS=7 V
UDS
B
57
G1
G2
W technice MOS można wytwarzać tranzystory
wielobramkowe.
S
D
Symbole tranzystorów polowych :
B
DDD
D
G
G
S,B
S,B
z kanałem typu p
z kanałem typu n
Tranzystory typu MOSFET są bardzo delikatne.
Izolacyjna warstwa SiO2 może łatwo ulec uszkodzeniu pod
wpływem ładunków elektrostatycznych. Z tego powodu często
zabezpiecza się je wbudowując diody Zenera :
Za pomocą odpowiednich zabiegów technologicznych
można wykonywać tranzystory MOSFET posiadające kanał
nawet wtedy, gdy bramka nie jest spolaryzowana. Tranzystor
taki (tzw. wstępnie otwarty) można regulować dodatnimi i
ujemnymi napięciami bramki względem podłoża.
1.
ID
MOSFET
wstępnie
otwarty
MOSFET wstępnie
zamknięty
UGS
58
Nieliniowe układy elektryczne.
Większość elementów elektronicznych, poza
rezystorami, kondensatorami i cewkami, to elementy
I
r
nieliniowe. Oznacza to, że płynący przez nie prąd I nie
R
Ix
jest liniową funkcją napięcia U, lecz w ogólności
∞
wyraża się szeregiem : I = ∑ sn U n . Przykładami
Ux
U
n= 0
takich elementów są diody, tranzystory, tyrystory,
lampy itd.
Dla każdego punktu charakterystyki nieliniowej
el. nieliniowy
R
o współrzędnych UX,, IX (tzw. punktu pracy) można
określić rezystancję na dwa sposoby :
• jako rezystancję zwykłą : R =
UX
IX
;
• jako rezystancję różniczkową : r = dU
E
dI
UX
.
W przypadku elementu liniowego obie oporności są
I
sobie równe. Dla elementów nieliniowych wielkości te
na ogół różnią się, a w szczególności rezystancja
różniczkowa może przyjmować wartości ujemne.
Innymi
obiektami
elektronicznymi,
które
charakteryzują się ujemną rezystancją są wzmacniacze.
Tak
więc
za
pomocą
niektórych
E-RI
E/R
Ix
Ux E
elementów
nieliniowych można wzmacniać sygnały.
Rozwiązywanie obwodów z rezystancją nieliniową jest trudne. Dlatego powszechnie
stosuje się metody wykreślne. Jeżeli w obwodzie, w którym element nieliniowy jest
szeregowo połączony z rezystancją R, znajduje się źródło siły elektromotorycznej E i płynie
prąd I, to spadek napięcia na elemencie nieliniowym wynosi : U=E - RI. Równanie to opisuje
prosta obciążenia
1
. Punkt przecięcia prostej obciążenia z charakterystyką elementu
nieliniowego (UX,, IX) jest poszukiwanym punktem pracy. W ten sposób rozwiązany został
jeden z najprostszych, a jednocześnie jeden z najbardziej typowych obwodów nieliniowych.
Identyczną analizę stosowaliśmy już przy wyznaczaniu punktu pracy wzmacniacza
tranzystorowego.
1
U
uWY(t)
uWE(t)
59
t
t
WE
WY
C
C
ω
ω0
ω
układ
nieliniowy
ω0
2ω0
4ω0 5ω0
Jeżeli w obwodzie znajduje się źródło sygnału harmonicznego : E = A cos(ω 0t + φ ) ,
to sygnał wyjściowy obwodu (np. spadek napięcia wytwarzany na rezystorze R) ma postać :
szeregu : UWY =
∞
∑ D ( A cos(ω t + φ ))
n
0
n
. Zgodnie z twierdzeniem Fouriera2 można go
n=0
∞
przedstawić jako : UWY = ∑ k (nω 0 ) A cos(nω 0t + φ n ) .
n= 0
Jak widać widmo sygnału wyjściowego układu nieliniowego jest bogatsze niż
widmo przebiegu wejściowego. W widmie sygnału wejściowego istnieje tylko składowa o
częstotliwości ω0, podczas gdy w widmie sygnału wyjściowego pojawiają się składowe o
częstotliwościach ω0, 2ω0, 3ω0, itd.
2
Twierdzenie Fouriera : jeżeli funkcja u(t) jest okresowa, o okresie T, to można ją
∞
przedstawić w postaci szeregu : u ( t ) = a o + ∑ Cn cos( nω 0 t + φ n ) , gdzie :
n= 0
T
T
2
1 2
a0 =
u ( t ) dt ,
T −∫T
2
bn =
T
Cn = a n2 + bn2
φ n = arctg
2
Zbiór trójek liczb
2
u ( t ) sin( nω 0 t ) dt , a n =
∫
T
−T
2
bn
an
(Cn , nω 0 , φ n )
ω0 =
T
2
∫ u(t ) cos(nω
−T
0
t ) dt , i
2
2π
.
T
jest nazywany widmem sygnału, a jego składowe o
częstościach nω0 - harmonicznymi.
Funkcja okresowa charakteryzuje się widmem dyskretnym.
W przypadku, gdy funkcja
u(t) nie jest okresowa, jej widmo ma charakter ciągły :
S (ω ) =
+∞
∫ u(t )e
− jωt
dt = S (ω ) e − jϕ (ω ) ,
przy
czym
:
S (ω ) =
A 2 (ω ) + B 2 (ω ) ,
−∞
B (ω )
ϕ (ω ) = arctg
A(ω )
i A(ω ) =
∞
∫ u(t ) cos(nωt )dt
−∞
B (ω ) =
∞
∫ u(t ) sin(nωt )dt
−∞
60
|S(ω)|
mowa
|S(ω)|
szum
ω
ω
C
u(t)
ω0
t
3ω 0
5ω 0 7ω 0
9ω 0
|S(ω)
u(t)
ω
t
Układy liniowe (np. układy RLC) również zmieniają widmo sygnału, oddziaływując
na amplitudę i fazę poszczególnych składowych harmonicznych. Jednak układy liniowe nie
wzbogacają widma sygnału, to znaczy, nie powodują pojawienia się w nim nowych
składowych harmonicznych.
Zastosowania układów nieliniowych.
POWIELACZ
CZĘSTOTLIWOŚCI.
Zjawisko
ω, 2ω,
3ω, ....
ω
wzbogacania
nω
widma sygnału wyjściowego w
stosunku do sygnału wejściowego
generator
układ
nieliniowy
filtr
rezonasowy
jest wykorzystywane do powielania
częstotliwości. Jeżeli na wejście układu nieliniowego dostarczony zostanie sygnał
sinusoidalny, na wyjściu pojawi się sygnał będący kombinacja jego harmonicznych. Stosując
filtr rezonansowy można wyselekcjonować składową o wybranej częstotliwości nω.
61
ω1, 2ω1, 3ω1, ...
ω2, 2ω2, 3ω2, ...
ω1+ω2, |ω1-ω2|, ...
..., 2ω1+ω2, ..., |ω1-2ω2|, ...
MIESZACZ CZĘSTOTLIWOŚCI
Gdy na wejście układu nieliniowego
ω1
nω1+mω2
skierowany zostanie sygnał składający się z
dwu
składowych
sinusoidalnych
o
ω2
układ nieliniowy
filtr rezonasowy
częstotliwości ω1 i ω2, w widmie sygnału
wyjściowego poza harmonicznymi obydwu sygnałów pojawią się także składowe o
częstotliwościach
częstotliwości.
interkombinacyjnych.
Przy
użyciu
filtrów
Zjawisko
to
jest
nazywane
można
wyselekcjonować dowolna składową.
Przetwarzanie częstotliwości jest szeroko
wykorzystywane
stosowanych
w
między
układach
innymi
w
mieszaniem
1,5
pomiarowych
1,0
laboratoriach
0,5
2π
ω
2π
Ω
0,0
pomiarowych. Idee elektroniki nieliniowej obecnie
u(t)
-0,5
stosowane również w elektronice kwantowej - tj.
-1,0
technice laserowej. Bez elektroniki nieliniowej nie
-1,5
0,0
może także obyć się radiotechnika.
0,5
1,0
1,5
2,0
czas
MODULACJA AMPLITUDOWA (AM).
Jednym ze sposobów przekazywania informacji (o częstotliwości Ω) za pomocą fali
radiowej (o częstotliwości ω0) jest modulacja amplitudy : u(t ) = U 0 [1 + m sin(Ωt )] sin(ω 0 t ) ,
gdzie 0 ≤ m ≤ 1 jest nazywane głębokością modulacji. Za pomocą
elementarnych
przekształceń
trygonometrycznych
wzór
ten
ω0+Ω
przedstawić w postaci :
U (t ) = U 0 sin(ω 0 t ) +
ω0
ω0-Ω
1
mU 0 cos[(ω 0 + Ω)t ] − cos[(ω 0 − Ω)t ]
2
{
}
Widać stąd, że widmo fali zmodulowanej amplitudowo składa się z trzech składowych o
ω
62
częstotliwościach : ω0,(fali nośnej) oraz ω0+Ω i ω0-Ω (wstęg bocznych). Nadajnik:
generator
modulator
(mieszacz)
powielacz
filtr
rezonasowy
wzmacniacz
w. cz.
ω0
ω0/n
ω0,
ω0+Ω
ω0-Ω
wzmacniacz m. cz.
Ω
mikrofon
antena
DEMODULACJA FALI ZMODULOWANEJ AMPLITUDOWO.
Technika nieliniowa jest również niezbędna przy odbiorze informacji przekazywanej
drogą radiową. Najprostszy odbiornik składa się z anteny, filtru rezonansowego (do wyboru
stacji
nadawczej
czyli
częstości
ω0),
elementu nieliniowego zwanego detektorem
i
filtru
niskiej
częstotliwości
antena
selekcjonującego sygnał informacyjny o
ω0
ω0+Ω
ω0-Ω
Ω
słuchawka
częstotliwości Ω. W układzie nieliniowym
następuje mieszanie składowych przebiegu
filtr
rezonansowy
detektor
filtr
dolnoprzepustowy
zmodulowanego amplitudowo. Dzięki temu
w widmie wyjściowym otrzymuje się składowa niskiej częstotliwości, która jest odtwarzana
przez słuchawkę.
Odbiorniki detektorowe mogą być wykorzystywane tylko do odbioru bardzo silnych
stacji. Aby poprawić czułość radioodbiorników wmontowywano do nich heterodyny, czyli
antena i filtr
rezonasowy
wzmacniacz
w. cz.
mieszacz
wzmacniacz
m.cz
głośnik
Ω
ω0
ω0+Ω
ω0-Ω
ω0
heterodyna
wewnętrzne generatory pracujące na częstotliwości odbieranej stacji.
Dzięki temu, że do mieszania wykorzystuje się silna falę o częstotliwości ω0, otrzymuje się
większa amplitudę fali o częstotliwości Ω, którą po wzmocnieniu można odsłuchać przez
głośnik.
63
Najdoskonalszymi odbiornikami odbiorniki superheterodynowe. Ich oscylatory
wewnętrzne (heterodyny) pracują na częstotliwości ωh takiej, że : ω0-ωh=ωp=const.
Częstotliwości różnicowe ωp (tzw. częstotliwości pośrednie) stałe, niezależne od odbieranej
stacji, stanowią międzynarodowe standardy i są przez służby radiowe specjalnie chronione
przez zakłóceniami.
ω0
ω0+Ω
ω0-Ω
antena +
filtr
rezonansowy
wzmacniacz
w. cz.
filtr i wzmacniacz
cz. pośredniej
mieszacz
ωh
ω0-ωh
ω0-ωh+Ω
ω0-ωh-Ω
detektor
wzmacniacz
m. cz. i głośnik
Ω
heterodyna
Za pomocą mieszacza sygnał radiowy jest przesuwany na skali częstości w rejon
częstotliwości pośredniej ω0-ωh, , gdzie podlega wąskopasmowej filtracji, wzmocnieniu, a
następnie zwykłej detekcji. Dzięki temu uzyskuje się wysoką selektywność, co pozwala
otrzymywać czułości radioodbiorników rzędu mikrowoltów.
Zjawiska zachodzące w układach nieliniowych wykorzystuje się
powszechnie do przetwarzania fal elektromagnetycznych w zakresie
częstotliwości radiowych, mikrofal, aż do promieniowania świetlnego
64
Kolokwium końcowe - pytania
1. Źródło napięciowe i prądowe
2. Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa.
3. Zasada Thevenina i zasada Nortona
4. Impedancja: rezystancja i reaktancja
5. Łączenie impedancji - impedancje zastępcze
6. Dzielnik napięcia
7. Układy rezonansowe, zjawisko rezonansu, dobroć i częstotliwość rezonansowa.
8. Układ całkujący i różniczkujący
9. Częstotliwość graniczna. Pasmo przenoszenia.
10. Pasożytnicze dzielniki napięcia powstające przy łączeniu aparatury elektrycznej.
11. Pasożytnicze filtry powstające przy łączeniu aparatury elektrycznej.
12. Impedancja falowa linii przesyłowych. Odbicia sygnałów w liniach.
13. Fizyczne podstawy przewodnictwa w ciałach stałych.
14. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane
15. Fizyczne podstawy działania diody półprzewodnikowej. Napięcie przewodzenia.
16. Prostowniki jedno- i dwupołówkowe.
17. Diody Zenera, diody elektroluminescencyjne, fotodiody.
18. Działanie tranzystora bipolarnego
19. Działanie tranzystora polowego złączowego
20. Działanie tranzystora polowego z izolowaną bramką
21. Wzmacniacze tranzystorowe
22. Częstotliwość graniczna tranzystora
23. Punkt pracy tranzystora we wzmacniaczu
24. Układy nieliniowe. Rezystancja zwykła i rezystancja dynamiczna
25. Co to jest widmo sygnału
26. Powielanie i sumowanie częstotliwości
27. Modulacja i detekcja fali zmodulowanej amplitudowo.
28. Zasilacz, woltomierz, amperomierz, oscyloskop, generator.
65
Notatki własne