Transcript
lementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne Wprowadzenie Złacze PN spolaryzowane zaporowo: P N U - + S S U SAT = V U S q D p L p p n D n n L n p gdzie: D p,n współczynniki dyfuzji dziur i elektronów L p,n drogi dyfuzji dziur i elektronów p n,n p koncentracje nośników mniejszościowych Wprowadzenie Wartość prądu nasycenia: - nie zależy od przyłożonego napięcia (źródło prądowe) - zależy od poziomu nośników mniejszościowych w poszczególnych obszarach (sterowane) Np.: zmieniając liczbę elektronów w obszarze P : S4 n p4 S3 S2 S1 n p3 n p2 n p1 U Wprowadzenie Jak kontrolować liczbę (koncentrację) elektronów (nośników mniejszościowych)????? Dodatkowe elektrony P N U - + S Wprowadzenie Sposoby zmiany koncentracji nośników: - doprowadzenie energii z zewnąrz np.: promieniowanie świetlne, Rentgenowskie itp. - wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) wprowadzanie prądowe Wprowadzenie Wprowadzenie Tranzystor bipolarny - charakterystyki Tranzystor traktujemy jako czwórnik o czterech parametrach:: W WY Wyznaczamy charakterystyki: U U W W WY WY f f f f W U WY U WY WY W U WY const U WY const W const const U W - wejściowe - zwrotne napięciowe - przejściowe prądowe - wyjściowe U WY Tranzystor bipolarny - charakterystyki O Tranzystor bipolarny - prądy zerowe Tranzystor bipolarny parametry graniczne Tranzystor bipolarny dopuszczalny obszar pracy Tranzystor bipolarny dopuszczalny obszar pracy Przykładowy tranzystor przełączający wysokonapięciowy Tranzystor bipolarny właściwości termiczne Tranzystor bipolarny właściwości termiczne Tranzystor bipolarny właściwości termiczne przy pracy impulsowej Tranzystor bipolarny budowa Tranzystor bipolarny budowa Tranzystor bipolarny budowa Przykładowy model pasmowy - tranzystor PNP Tranzystory podział ze względu na budowę bazy Tranzystory: -z jednorodną bazą z równomiernym rozkładem domieszek w bazie - z niejednorodną bazą rozkład domieszek wytwarza dodatkowe pole elektryczne przyspieszające transport nośników mniejszościowych przez bazę do kolektora (szybsze działanie przyrządu) Tranzystory parametry Strumień elektronów wstrzykiwanych z emitera do bazy prawie w całości przelatuje do kolektora. Niewielka część wstrzykniętych elektronów rekombinuje w obszarze bazy. Powoduje to wypłynięcie odpowiedającej im liczby elektronów z bazy od obwodu zewnętrznego. Bilans prądów: Tranzystor jest tym lepszy im wartość zbliża się do wartośći. Współczynniki wzmocnienia prądowego (zwarciowe): lub 0 B lub 0 B B Tranzystory parametry Tranzystory parametry Zależności pomiędzy współczynnikami: 1 1 Wpływ prądu zerowego 0 prądu nośników mniejszościowych powstających w warstwie zaporowej złącza. Powstała para dziuraelektron jest wymiatana z warstwy zaporowej: dziura do bazy, elektron do kolektora B B 0 0 Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Model dla pracy normalnej i inwersyjnej F R S S U exp T B U exp T B 1 1 Duże różnice we wsp. wzmocnień prądowych: normalnym N ( N ) i inwersyjnym ( ), np. dla B107A: N N 1 1 N N Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Model słuszny dla pracy normalnej Przekształcony model bersa Mola (dogodny do obliczeń) F N F B F N F 1 N N 0 F B U B BS exp 1 T 0 B Statyczny nieliniowy model bersa - Molla exp 1 exp S S N BS T B BS T B S N B N N F N B B F N U U Zachodzące zależności: Statyczny nieliniowy model bersa - Molla Rezystancja rozproszona bazy Rezystancja rozproszona bazy r bb Wynika ze skończonej konduktywności obszaru bazy. Wprowadza dodatkową polaryzację złacza baza-emiter w kierunku przewodzenia (poprzez 0 ), co powoduje przypływ prądu emitera nawet przy braku polaryzacji złącza baza-emiter. Ma również znaczenie przy analizie właściwości szumowych tranzystora dla w. cz. Parametry statyczne Najważniejsze parametry statyczne tranzystorów: - moc admisyjna P max (hiperbola mocy) - prąd maksymalny cmax - prąd zerowy 0 - maksymalne napięcie U max - napięcie nasycenia U sat - współczynnik wzmocnienia prądowego 0 Napięcie arly ego U 1 U exp B 1 N S U Y T Statyczny nieliniowy model bersa Molla Zastosowanie Statyczny, nieliniowy model bersa Molla wykorzystywany jest do: - analizy stałoprądowej układów tranzystorowych: obliczania parametrów układów polaryzacji - analizy stabilności temperaturowej układów tranzystorowych Bardzo często w/w model linearyzuje się w celu uproszczenia obliczeń!!! Statyczny liniowy model bersa Molla Linearyzowany model bersa - Molla Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego Zlinearyzowany model bersa Molla dogodny do analizy wpływu temperatury na parametry tranzystora bipolarnego Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego U B T U T ct 1 B 0 1 T0 c = 2mV/ 0 (zmienne od 1.5 do 2.5 mv/ 0 ) Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego T T T T może się zmieniać w zakresie / 0 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego T exp T b 1 0 T T b = 14 0 Wpływ temperatury na parametry tranzystora bipolarnego Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy Polaryzacja tranzystora bipolarnego punkt pracy Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy Układ z wymuszonym prądem bazy Układ z wymuszonym prądem bazy i sprzężeniem emiterowym Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R BQ R B Q U Q U BQ B = R Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R R Q Q B R B BQ R B U B ( B ) B U Q U BQ B U Q B R B R Który model tranzystora zastosować? Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy R Q BQ R B U Q U BQ B (+1) 0 B R A może zastosować taki model?????? Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z wymuszonym (stałym) prądem bazy Punkt pracy tranzystora w układzie: U Q Q U R R B Q BQ R R B B 1 1 R R R Układ bez sprzężenia emiterowego R = 0: Q U R 1 B BQ R B B 0 Nie badam wpływu temperatury 0 = 0: Q R B B U BQ 1R U Q Q R U Q Q R 1 R Statyczna prosta pracy Zakładając = co obowiązuje dla dużych, pomijając wpływ 0 : B U BQ Q R R U Q B Przekształcając drugie równanie do postaci (y = ax +b): Q R R U R R R R Otrzymuje tzw. równanie prostej pracy statycznej Statyczna prosta pracy Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ z zasilaniem potencjometrycznym 3 R R R R4 Układ zasilania bazy zastępujemy źródłem napięciowym zgodnie z tw. Thevenina: Analiza taka jak poprzedniego układu B R 1 R 2 R 2 R B R1R 2 R R 1 2 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Układ ze sprzężeniem kolektorowym Układ ze sprzężeniem kolektorowym i sprzężeniem emiterowym Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym R B R U BQ BQ B Q (+1) 0 U Q R R R U R 0 B B B B Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Punkt pracy tranzystora w układzie: B B BQ Q R R R R R R U Q Q R R U 1 0 Nie badam wpływu temperatury 0 = 0: Układ bez sprzężenia emiterowego R = 0: B B BQ Q R R R R U Q Q R U 1 0 B BQ Q R R R U 1 Q Q R R U 1 Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze sprzężniem kolektorowym Zakładając = co obowiązuje dla dużych, pomijając wpływ 0 otrzymujemy równania: U Takie same BQ Q jak dla RB R poprzednich U R R układów Q Przekształcając drugie równanie do postaci (y = ax +b): Q U R R R R Otrzymuje tzw. równanie prostej pracy statycznej Polaryzacja tranzystora bipolarnego - układ ze stałym prądem emitera B Analizujemy tak jak układ z wymuszonym prądem bazy Współczynniki stabilizacji Współczynniki stabilizacji Współczynniki stabilizacji Dla układów ze stałym prądem bazy, zasilaniem potencjometryczny m i stałym prądem emitera Współczynniki stabilizacji Współczynniki stabilizacji Współczynniki stabilizacji Układy zasilania tranzystorów z elementami nieliniowymi Układ kompensujący zmiany U B Układy zasilania tranzystorów z elementami nieliniowymi Układ kompensujący zmiany U B i zmiany 0 Dynamiczny nieliniowy model bersa - Molla F S U exp T B 1 je jc U je0 1 U U jc0 1 U B D B D m m R de dc S U exp T N T T F R B 1 S S m = 1/2 dla złącza skokowego, 1/3 dla liniowego Dynamiczny nieliniowy model bersa - Molla B jc je de U B ( B ) B Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora Współczynnik przesterowania przy włączeniu tranzystora: zas opóźnienia: gdzie: zas narastania: gdzie: det n t d k F b R t W n W BF BG BF M ln F je F U jc kf n ln k 1 F R BP Dynamiczny nieliniowy model bersa Molla praca impulsowa tranzystora zas przeciągania: t s ln s kf k R k 1 Współczynnik przesterowania zwrotnego: zas opadania: zas bierny: t 0 k BR R t n R BR M U BP R B t 2. 3R b R R kr 1 ln k b W Dynamiczny liniowy model tranzystora Zastąpienie w modelu bersa Molla napięć i prądów stałych niewielkimi ich przyrostami. Powstaje model małosygnałowy. B 1 1 N F N F N S N S U exp T B U exp T 1 B 1 Dynamiczny liniowy model tranzystora d du U 2 U 2 d B du B B U B 1 U U 1 U g g U 1 U 1 g g 12 U 22 2 U 2 Dynamiczny liniowy model tranzystora Dynamiczny liniowy model tranzystora Do wyznaczenia elementu g 22 skorzystamy z zależności: g 22 N U Y S U Y U 1 U exp B 1 N S U Y T Dynamiczny liniowy model tranzystora W ten sposób powstał małosygnałowy model o schemacie: B Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p Na podstawie tego modelu tworzymy podstawowy małosygnałowy model tranzystora, tzw. model hybryd p (Giacoletto): r B' g m U B' r r B' g r m 1 g 11 g 21 g 22 U T Q T Q Y Q Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p Model pełny z uwzględnieniem pojemności i rezystancji rozproszenia bazy: B r bb' B' c B' c B' r B' g m U B' r c B' U c B' 0 1 U B D m c B' 2 pf Q T T g m T Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p częstotliwości graniczne tranzystora Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd p częstotliwości graniczne tranzystora Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd Zastosowania: - analiza układów tranzystorowych dla sygnałów zmiennych - wyznaczanie parametrów roboczych - wyznaczanie zakresu częstotliwości pracy układów Przykład np. Ku dla O Szumy tranzystora bipolarnego Szumy tranzystora bipolarnego Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd dla OB Dynamiczny liniowy model tranzystora model hybryd dla O Porównanie parametrów roboczych dla rówżnych kofiguracji pracy tranzystora nne modele tranzystora macierz h nne modele tranzystora macierz y Tranzystory bipolarne przykładowe parametry Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model Gummela - Poona Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model hybryd p Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model małosygnałowy Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model małosygnałowy Tranzystory bipolarne modelowanie w programie Pspice model szumowy
