Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Elementy elektroniki Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Elementy elektroniki Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński."— Zapis prezentacji:

1 Elementy elektroniki Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński

2 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 2 Co było do tej pory? Zajmowaliśmy się teorią obwodów. Wprowadziliśmy podstawowe wielkości elektryczne. Omówiliśmy właściwości podstawowych elementów obwodu. Zajmowaliśmy się obwodami prądu stałego (liniowymi i nieliniowymi) oraz liniowymi obwodami prądu sinusoidalnego.

3 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 3 Na tym wykładzie Cel: Zapoznanie się z wybranymi elementami półprzewodnikowymi stosowanymi w układach elektrycznych i elektronicznych. Zakres: Półprzewodniki Diody prostujące Dioda Zenera Tranzystory Wzmacniacze operacyjne Inne elementy półprzewodnikowe

4 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 4 Elektronika i półprzewodniki W elektronice podstawową rolę odgrywają elementy półprzewodnikowe (dawniej były to głównie lampy próżniowe lub gazowe, których już prawie się nie stosuje). Dlatego ograniczymy się do omówienia elementów półprzewodnikowych. Istotę zjawisk zachodzących w półprzewodnikach pod wpływem różnych czynników zewnętrznych (temperatury, światła, pola elektrycznego, domieszkowanie) wyjaśnia elektronowa teoria budowy materii w połączeniu z fizyką kwantową. 1Półprzewodniki

5 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 5 Pasmowy model ciała stałego Elektrony związane są zwykle z atomami. Elektrony znajdujące się w zewnętrznych powłokach atomu nazywamy walencyjnymi. Jeżeli elektronowi walencyjnemu dostarczy się pewnej energii, to może on zostać wyrwany z atomu i przejść do tzw. pasma przewodzenia, czyli stać się swobodnym nośnikiem ładunku znajdującym się w obrębie ciała stałego. W półprzewodnikach energia ta nie przekracza 3 eV, w izolatorach jest znacznie większa od 3 eV, zaś w przewodnikach energia ta jest zerowa. Dostarczenie energii może odbyć się w różnych sposób (np. termicznie lub przez absorbcję fotonu). Energia Pasmo walencyjne Pasmo zabronione Pasmo przewodzenia Pasmo powłok wew. Pasmo wyjścia Półprzewodniki

6 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 6 Elektrony swobodne i dziury Wyrwany z pasma walencyjnego elektron przechodzi do pasma przewodzenia i staje się swobodnym nośnikiem ładunku. W paśmie walencyjnym pozostaje miejsce po elektronie zwane dziurą, które może się przemieszczać się i dlatego również stanowi nośnik ładunku (dodatniego). Po przyłożeniu napięcia elektrony z pasma przewodnictwa tworzą prąd elektronowy. Elektrony walencyjne przeskakują do atomów zawierających dziury, sprawiając, że dziury wędrują w kierunku przeciwnym i tworzą prąd dziurowy. W półprzewodniku istnieje więc prąd elektronowy i dziurowy. Półprzewodniki

7 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 7 Jak wyobrażać sobie prąd dziurowy? Wyobraźmy sobie elektrony w paśmie walencyjnym jako samochody stojące w korku. Puste przestrzenie pomiędzy samochodami na tyle duże, że można by w nich umieścić samochód, uważajmy za dziury. Kiedy samochody-elektrony powoli poruszają się w kroku, dziury wędrują w kierunku przeciwnym. W ten sposób powstaje prąd dziurowy. Półprzewodniki

8 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 8 Półprzewodniki samoistne i domieszkowe Przedstawione wyżej półprzewodniki to nazywane są samoistnymi. Półprzewodnikami tego rodzaju są pierwiastki o czterech elektronach walencyjnych (krzem, german). Ich przewodność silnie zależy od temperatury, co nie zawsze jest pożyteczne. W elementach elektronicznych stosuje się najczęściej tzw. półprzewodniki domieszkowe. Powstają one przez dodanie niewielkiej liczby atomów pierwiastka III lub V grupy. Półprzewodniki

9 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 9 Półprzewodnik typu p Atom III grupy (np. gal) może dostarczyć jedynie trzy elektrony walencyjne, ale łatwo przechwytuje dodatkowo czwarty elektron (stąd nazwa – akceptor) i powoduje, że paśmie walencyjnym powstaje dziura. Tak powstaje półprzewodnik typu p (positive). Półprzewodniki

10 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 10 Półprzewodnik typu n Atom V grupy (np. arsen) dostarcza aż pięć elektronów walencyjnych, ale łatwo oddaje jeden z nich (stąd nazwa – donor), który przechodzi do pasma przewodzenia. Tak powstaje półprzewodnik typu n (negative). Półprzewodniki

11 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 11 Dyfuzja nośników ładunku Wskutek zetknięcia półprzewodników o różnej koncentracji nośników ładunku (elektronów i dziur) część z nich dyfunduje do drugiego półprzewodnika. W przypadku zetknięcia półprzewodników typu n i p elektrony z pasma przewodnictwa n przenikają do półprzewodnika p, gdzie rekombinują z dziurami. W efekcie na styku złącza n-p tworzy się warstwa dipolowa ładunków. 2Złącze n-p p n

12 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 12 Bariera potencjału Powstaje bariera potencjału U bp 0,4 do 0,8 V. Dipolowa warstwa ładunków z jednej strony przyciąga pozostałe nośniki, lecz z drugiej uniemożliwia ich dalszą dyfuzję. p n U bp Złącze n-p

13 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 13 Stany pracy złącza n-p Jeżeli do złącza n-p przyłożymy zewnętrzne napięcie U, to zależnie od jego polaryzacji i wartości złącze może znaleźć się w jednym z trzech stanów: – przewodzenia ( U > U bp ), – zaporowym ( U < 0), – przebicia ( U << 0). Jeżeli 0 < U < U bp, to złącze zachowuje się prawie tak, jakby nie było napięcia U (w przybliżeniu). Złącze n-p

14 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 14 Stan przewodzenia Jeżeli do złącza n-p przyłożymy zewnętrzne napięcie U U bp, to znosi ono barierę potencjału, a nośniki ładunków (elektrony i dziury) mogą w olbrzymich ilościach przepływać przez złącze. Mówimy, że złącze znajduje się w stanie przewodzenia. Do osiągnięcia tego stanu wystarcza napięcie U praktycznie równe U bp. p n U bp U U > U bp Złącze n-p

15 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 15 Stan zaporowy Jeżeli do złącza n-p przyłożymy zewnętrzne napięcie U < 0, spowoduje to odsunięcie nośników ładunku od warstwy dipolowej i powiększenie bariery potencjału. Uniemożliwia to przepływ prądu. Mówimy, że złącze znajduje się w stanie zaporowym. p n U bp U U < 0 Złącze n-p

16 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 16 Stan przebicia Jeżeli do złącza n-p przyłożymy w kierunku zaporowym odpowiednio duże napięcie zewnętrzne U, to spowoduje ono lawinową jonizację atomów i powstanie dużej liczby nośników prądu, które mogą w olbrzymich ilościach przepływać przez złącze. Mówimy, że złącze znajduje się w stanie przebicia. Może to spowodować uszkodzenie złącza, ale w np. w diodach Zenera jest to wykorzystywane do stabilizacji napięcia. p U n Złącze n-p

17 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 17 Dioda prostownicza Idealna dioda prostownicza jest dwójnikiem nieliniowym o charakterystyce odwrócone L. Ma dwie końcówki katodę (K) i anodę (A). Jeżeli V A > V K, to dioda przewodzi, w przeciwnym razie nie przewodzi. Rzeczywistą diodę realizuje się w postaci złącza p-n, którego charakterystyka jest w przybliżeniu wykładnicza: 3Diody K A U I U p n K A

18 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 18 Prostownik jednopołówkowy Dioda prostownicza służy do uzyskiwania napięcia jednobiegunowego (stałego) z napięcia przemiennego. Pojedyncza dioda obcina ujemne wartości napięcia, a dodatnie przepuszcza bez zmian. Wyprostowane napięcie ma charakter pulsacyjny. t u UmUm –Um–Um A B i RuRuR ~u~u t uRuR UmUm Diody

19 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 19 A B i R uRuR ~u~u D1D1 D2D2 D3D3 D4D4 Prostownik dwupołówkowy Aby uzyskać napięcie wyprostowane dwupołówkowo, można zastosować 4 diody (tzw. mostek Graetza). Jeżeli V A > V B, to przewodzą diody 1 i 4, zaś w przeciwnym razie przewodzą diody 2 i 3. t u UmUm –Um–Um D1D1 D2D2 t uRuR UmUm Diody

20 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 20 Wygładzanie napięcia Wyprostowane napięcie ma charakter silnie tętniący. Można temu zaradzić, jeżeli zastosujemy kondensator włączony równolegle do odbiornika. Nie pozwala on na zbyt szybki zanik napięcia na odbiorniku, stanowiąc jakby okresowo doładowywane źródło napięcia. Im większa pojemność, tym lepsze wygładzenie napięcia. t u UmUm –Um–Um t uRuR UmUm A B i RuRuR ~u~u C t uRuR UmUm Diody

21 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 21 Dioda Zenera Dioda Zenera to dioda, której ch-ka w kierunku wstecznym jest bardzo stroma po przekroczeniu napięcia U Z. Wtedy dużym zmianom prądu odpowiadają bardzo niewielkie zmiany napięcia (mała rezystancja dynamiczna). Dioda Zenera jest w zbudowana w zasadzie tak samo jak zwykła dioda prostownicza, ale jest przeznaczona do pracy przy napięciu przebicia w kierunku wstecznym. AK U–UZ–UZ U I Diody

22 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 22 Stabilizacja napięcia Diodę Zenera można wykorzystać do stabilizacji napięcia zasilania. W tym celu włącza się ją równolegle do odbiornika w kierunku zaporowym. Dużym wahaniom napięcia zasilania U we odpowiadają małe zmiany napięcia U wy. A B i U we R1R1 U wy ~u~u Prosty zasilacz Diody

23 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 23 ΔI we I we U0U0 U we I U Stabilizacja diodą Zenera – punkt pracy R0R0 I we I0I0 I0I0 U we R1R1 U0U0 R0R0 IDID ΔU0ΔU0 D D||R 0 U min I min U max I max ΔU we R1R1 IDID Diody

24 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 24 Inne wybrane typy diod Dioda pojemnościowa – wykorzystuje się zależność pojemności złącza od napięcia wstecznego; wykorzystywane do dostrajania układów telekomunikacji w zakresie MHz i GHz. Dioda Schottkyego – dioda, w której zamiast złącza p-n znajduje się złącze m-s (metal- semiconductor); charakteryzuje się szybkim czasem przełączania (tzw. diody szybkie); stosowana w układach w.cz. Dioda ostrzowa – dioda ze złączem m-s, w której zamiast warstwy metalu znajduje się ostrze metalu, co powoduje małą pojemność wewnętrzną. Stosowana do prostowania małych prądów w.cz. Diody

25 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 25 Tranzystor bipolarny Tranzystor bipolarny jest elementem czynnym o trzech końcówkach: – B – baza, – C – kolektor, – E – emiter. Możliwe są dwie wersje: – n-p-n (C i E jako n, B jako p), – p-n-p (C i E jako p, B jako n). 4Tranzystor bipolarny C E B C E B npnpnp

26 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 26 Budowa tranzystora bipolarnego Tranzystor bipolarny typu npn to półprzewodnik typu n przedzielony półprzewodnikiem typu p. Są to jakby dwie diody. Tranzystory często wykonuje się w postaci planarnej. C (kolektor) E (emiter) B (baza) n n p p n n nn BEC Si (podłoże) Si SiO 2 C E B Tranzystor bipolarny

27 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 27 Polaryzacja złącz Właściwości tranzystora zależą od polaryzacji jego złącz. Typowo: – Złącze emiterowe (B-E) spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, – Złącze kolektorowe (C-B) spolaryzowane jest kierunku zaporowym. Dalsze rozważania dotyczą tranzystora npn (dla pnp jest podobnie, ale odwrócone są znaki napięć). W tym stanie napięcie U BE 0,7 V, natomiast napięcie U CB wynosi od ułamków wolta do kilkunastu woltów. U CB > 0 U BE 0,7 V Tranzystor bipolarny

28 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 28 Układ ze wspólnym emiterem (OE) W typowych przypadkach tranzystor pracuje w tzw. układzie ze wspólnym emiterem. Z fizykalnej analizy procesów zachodzących w bazie tranzystora wynika, że: gdzie: α < 0 – współczynnik wzmocnienia prądowego (zależny od tranzystora), zwykle α 0,95÷0,99, I CB0 – tzw. kolektorowy prąd zerowy. Natomiast z pierwszego prawa Kirchhoffa: U BB U CC IBIB ICIC IEIE RBRB RCRC Tranzystor bipolarny

29 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 29 Wzmocnienie prądowe w układzie OE Z powyższych równań otrzymujemy gdzie β >> 1 jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie OE, I C0 – prąd zerowy kolektora w układzie OE. U BB U CC IBIB ICIC IEIE RBRB RCRC Tranzystor bipolarny

30 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 30 U CE ICIC I B = 0 (500 mA) (15 V) IBIB Charakterystyki tranzystora Najważniejsze są dwie ch-ki: – Wejściowa: I B ( U BE ), – Wyjściowa: I C ( U CE ). (5 mA) (2 V) U BE IBIB IBIB ICIC U CE U BE Tranzystor bipolarny

31 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 31 U CE ICIC I B = 0 (500 mA) (15 V) IBIB Stan aktywny w układzie OE I B I C U RC U CE Najważniejsza cecha: Mały prąd bazy steruje znacznie większym prądem kolektora. Małe zmiany napięcia U BB przenoszą się na duże zmiany napięcia U CE. U BB U CC IBIB ICIC RBRB RCRC U CE U RC U BB RBRB U CC U CE1 I C1 RCRC (5 mA) (2 V) U BE IBIB U BE1 I B1 I B2 I B = I B1 I B = I B2 U CE2 I C2 ΔU BB (0,1 V) (5 V) ΔU CE U RC U BE IEIE Tranzystor bipolarny

32 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 32 Tranzystor jako wzmacniacz Duże zmiany U CE wywołane małymi zmianami U BB można traktować jako wzmocnienie zmian U BB. W ten sposób otrzymujemy wzmacniacz tranzystorowy o następujących właściwościach: – Duże wzmocnienie prądowe (małe zmiany I B powodują duże zmiany I C ), – Duże wzmocnienie napięciowe (małe zmiany U BB powodują duże zmiany U CE ), – Odwrócenie fazy o 180° (wzrost U BB powoduje spadek U CE ), – Mała rezystancja wejściowa (złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia), – Duża rezystancja wyjściowa (złącze BC spolaryzowane w kierunku zaporowym). Tranzystor bipolarny

33 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 33 Wzmacniacz tranzystorowy Wzmacniające właściwości tranzystora wykorzystuje się do budowy wzmacniaczy. Wzmacniacze jako klasa układów będą omówione dalej. Istnieje wiele różnych tranzystorowych układów wzmacniaczy. Obok pokazano schemat jednego z najprostszych. Należy on do wzmacniaczy odwracających małej częstotliwości (od kilku Hz do około 100 kHz) z tranzystorem n-p-n w układzie ze wspólnym emiterem. +U CC RERE RCRC CECE R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 Tranzystor bipolarny

34 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 34 Co jest wzmacniane? Mamy dwa źródła napięcia: – stałego U CC (o względnie dużej wartości rzędu 15 V), – zmiennego u we (o względnie małej amplitudzie rzędu ułamków wolta a nawet mV). Napięcie U CC ustala punkt pracy, wokół którego następnie oscylują napięcia i prądy zmienne. W wyniku tego na wyjściu pojawia się napięcie u wy proporcjonalne do u we, lecz o znacznie większej amplitudzie (rzędu V) i odwróconej fazie. +U CC RERE RCRC CECE R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 Tranzystor bipolarny

35 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 35 Punkt pracy Dla prądu stałego kondensatory stanowią przerwę. Rezystor R E o niewielkiej rezystancji (w porównaniu z pozostałymi rezystancjami) prawie nie ma wpływu na punkt pracy, jednak zapewnia bardziej stabilną pracę przy zmieniającej się temperaturze. Dzielnik napięcia R B1 i R B2 ustala napięcie U BB, czyli punkt pracy na charakterystyce wejściowej. Punkt pracy obwodu wyjściowego, zależy od rezystora R C oraz prądu bazy. U BB Przykładowe wartości: U CC = 15 V R E = 100 Ω R C = 1 kΩ R B1 = 350 kΩ R B2 = 50 kΩ +U CC RERE RCRC CECE R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 U BB RBRB U BE IBIB IBIB U CE ICIC IBIB U CC U CE ICIC RCRC I B = I B Tranzystor bipolarny

36 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 36 Oscylacje wokół punktu pracy Dla zmiennego sygnału wejściowego kondensatory stanowią praktycznie zwarcie. Zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami niewielkie zmiany napięcia u we powodują duże zmiany napięcia u wy. Wzrost napięcia u we powoduje spadek napięcia u wy, więc napięcie u wy jest w przeciwfazie (wzmacniacz odwracający). +U CC RERE RCRC R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 CECE t u wy u we U BB RBRB U BE IBIB IBIB u we U CE ICIC IBIB U CC U CE ICIC RCRC I B = I B u wy Tranzystor bipolarny

37 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 37 Rola elementów wzmacniacza Tranzystor – za pomocą prądu bazy steruje prądem kolektora, Napięcie U CC – zasila tranzystor; moc tego źródła przekształcana jest częściowo na moc sygnału wyjściowego, C 1 – usuwa składową stałą z sygnału u we, C 2 – usuwa składową stałą z sygnału u wy, C E – zamyka obwód dla składowej zmiennej, R B1 i R B2 – ustalają punkt pracy tranzystora, R C – ustala punkt pracy obwodu wyjściowego, przejmuje napięcie wywołane prądem kolektora, R E – stabilizuje pracę pod względem zmian temperatury. +U CC RERE RCRC CECE R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 Tranzystor bipolarny

38 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 38 Tyrystor Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym zwykle o trzech końcówkach: – Anoda (A), – Katoda (K), – Bramka (G). Zbudowany jest z czterech naprzemiennych warstw półprzewodników typu n i p. Symbol przypomina diodę, gdyż tyrystor jest jakby diodą, której przewodzenie można włączyć impulsem prądu podanym przez bramkę. 5Tyrystory K A G p p n n A K G

39 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 39 Charakterystyka i stany pracy Tyrystor może znajdować się w jednym z czterech stanów: – Blokowania, – Przełączania (niestabilny), – Przewodzenia, – Zaworowym. W stanie blokowania i w stanie zaworowym tyrystor praktycznie stanowi przerwę w obwodzie (nie przewodzi prądu). W stanie przewodzenia tyrystor praktycznie stanowi zwarcie. Napięcie wyzwolenia U P może zostać obniżone podaniem impulsu prądowego na bramkę. U AK IAIA IPIP blokowanie przełączanie przewodzenie zaworowy U P0 I G = 0IGIG A K G U AK IAIA Tyrystory

40 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 40 Załączenie tyrystora Niech początkowo I G = 0. Jeżeli U AK > 0, to środkowe złącze p-n spolaryzowane jest w kierunku zaporowym. Jeżeli U AK < U P0, to tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu (stan blokowania). Jeżeli U AK > U P0 to tyrystor przechodzi w stan przewodzenia. Stan przewodzenia można też osiągnąć jeżeli U AK 0. Im większy prąd bramki, tym niższe napięcie wyzwolenia. Przejście w stan przewodzenia za pomocą impulsu bramowego nazywamy wyzwoleniem bramkowym. IPIP blokowanie przełączanie przewodzenie U AK IAIA U P0 I G = 0IGIG U AK IAIA IGIG A K G Tyrystory

41 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 41 Wyłączenie tyrystora W stanie przewodzenia napięcie U AK 1 V, zaś prąd ograniczony jest tylko pozostałymi elementami obwodu i może osiągać duże wartości. Dlatego tyrystor montuje się zwykle na radiatorach (elementach efektywnie oddających ciepło). Wyzwolony tyrystor może zostać wyłączony na dwa sposoby: – Przez obniżenie napięcia U AK poniżej wartości krytycznej, – Przez obniżenie prądu tyrystora poniżej wartości krytycznej I P. Wyłączenie tyrystora ujemnym prądem bramki jest możliwe tylko w przypadku tyrystorów specjalnej konstrukcji GTO (Gate Turn-Off). Wyzwolenie wymaga czasu około 1 μs, zaś wyłączenie około 5÷10 μs. IPIP blokowanie przełączanie przewodzenie U AK IAIA Tyrystory

42 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 42 Triak Triak jest elementem podobnym do tyrystora, ale może przewodzić prąd w dwie strony. U I IPIP blokowanie przełączanie przewodzenie U P0 I G = 0IGIG U P0 IGIG I G = 0 IPIP A1 A2 G Tyrystory

43 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 43 Tranzystory polowe W tranzystorach unipolarnych wykorzystuje się oddziaływanie elektrostatyczne elektronów. Nazywa się to efektem polowym, a same tranzystory nazywane są tranzystorami polowymi (FET – Field-Effect Transistor). Istnieją dwa rodzaje tranzystorów FET: – Z izolowaną bramką (IGFET – Insulated-Gate FET), zwane tranzystorami typu MOS, – Z wbudowanym kanałem (JFET – Junction FET). Omówimy tylko te pierwsze, gdyż znalazły one szerokie zastosowanie w układach scalonych. 6Tranzystory unipolarne

44 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 44 Złącze MOS Złącze MOS to trójwarstwowa struktura metalu, dwutlenku krzemu (SiO 2 ) i półprzewodnika (Metal-Oxide-Semicoductor). Półprzewodnik może być typu n lub p. Część metalową nazywa się bramką (G – gate), zaś część półprzewodnikową podłożem (B – bulk). Półprzewodnik (podłoże) Izolator (SiO 2 ) Metal (bramka) G B Tranzystory unipolarne

45 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 45 Tranzystor MOS W tranzystorze NMOS podłoże jest typu p, a po obydwu stronach bramki występują znajdują się obszary typu n: źródło S (source) i dren D (drain). W tranzystorze PMOS podłoże jest typu n, zaś dren i źródło typu p. Dren, źródło i bramka odpowiadają z grubsza kolektorowi, emiterowi i bazie tranzystora bipolarnego. Podłoże i źródło są zwykle na wspólnym potencjale. Przepływ prądu jest możliwy jedynie pomiędzy D a S, i to tylko w pewnych warunkach (o nich dalej). Izolowana bramka praktycznie nie pobiera prądu, ale służy do sterowania prądu płynącego pomiędzy D i S. G B DS p nn G D S B G D S B PMOS NMOS Tranzystory unipolarne

46 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 46 G B DS p nn Efekt polowy Rozważmy tranzystor NMOS. W podłożu typu p znajduje się wiele dziur (pasmo walencyjne) oraz znacznie mniej elektronów w paśmie przewodnictwa. Jeżeli U GB = 0, to jedno albo obydwa złącza p-n spolaryzowane są zaporowo i prąd I DS nie może płynąć (chyba, że napięcie U DS jest na tyle duże, że nastąpi przebicie tych złącz). Jeżeli U GB < 0, to elektrony są wypychane w głąb podłoża, a dziury są przyciągane tak, że pomiędzy drenem a źródłem dalej występuje zaporowa polaryzacja złącz p-n i prąd I DS nie może płynąć. Tranzystory unipolarne

47 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 47 G B DS p nn Efekt polowy – powstawanie kanału Jeżeli U GB > 0, to dziury są wypychane w głąb podłoża, a elektrony są przyciągane tak, że pomiędzy drenem a źródłem jest coraz mniej dziur i coraz więcej elektronów – powstaje tzw. warstwa zubożona (w dziury). Przy napięciu U GB U T0 (napięcie progowe) koncentracja elektronów pod izolatorem jest tak duża, że tworzy się tzw. kanał typu n (stąd nazwa tranzystora – NMOS). Na złączach kanału z drenem i źródłem zanika blokująca warstwa dyfuzyjna. Przy niezerowym napięciu U DS popłynie prąd I DS. Tranzystory unipolarne

48 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 48 Charakterystyki przejścia Przy stałym napięciu U DS prąd I DS nie popłynie, jeżeli U GB U T0 < 0). Tranzystory MOS wykonuje się zazwyczaj w dwóch wersjach: – z kanałem wzbogaconym w nośniki prądu, – z kanałem zubożonym w nośniki prądu. Wtedy ch-ki ulegają pewnemu przesunięciu. U GB I DS zub.wzb. zub. U T0 NMOS U T0 PMOS U DS = const Tranzystory unipolarne

49 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 49 Charakterystyki wyjściowe Przy stałej wartości U GB > U T0 (NMOS) prąd I DS w pewnym zakresie zależy liniowo od U DS (jak w rezystorze), zaś dla odpowiednio dużego napięcia U DS jest niezależny od niego (nasycenie). W odróżnieniu od tranzystora bipolarnego, w którym sterowanie prądem wyjściowym odbywa się prądem bazy, w tranzystorze MOS sterowanie prądem wyjściowym odbywa się napięciem bramki. U GB < U T0 U GB U DS I DS obszar liniowy obszar nasycenia Tranzystory unipolarne

50 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 50 Najważniejsze zalety Sterowanie napięciem – izolowana bramka nie pobiera prądu za wyjątkiem czasu potrzebnego na przełączenie (prąd przesunięcia), Duża liczba odmian pozwala na szeroki zakres zastosowań, Mogą pracować jako rezystory sterowane (w liniowym zakresie pracy ch-ki wyjściowej) o wartości do około 1 kΩ, Stosunkowo łatwe do wykonania w technologii planarnej oraz małe rozmiary (długość kanału rzędu μm) predysponują je w układach scalonych. Tranzystory unipolarne

51 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 51 Wzmacniacz Wzmacniacz jest to układ, w którym amplituda sygnału wejściowego jest zwiększana z możliwie wiernym zachowaniem kształtu sygnału wejściowego. Amplituda (a więc i energia) jest zwiększana kosztem energii doprowadzonej do wzmacniacza z zewnętrznego źródła. Istnieje szeroka gama wzmacniaczy, zarówno pod względem konstrukcyjnym (tranzystorowe, lampowe, rezonansowe), jak i sygnałowym (prądu stałego, prądu, napięcia, mocy). Charakterystyki wzmacniacza określa się dla sygnału sinusoidalnego. 7Wzmacniacz operacyjny

52 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 52 Wzmacniacz napięcia Podstawowym parametrem jest współczynnik wzmocnienia napięciowego K u – jest to stosunek wartości skutecznej napięcia wyjściowego U 2 do wartości skutecznej napięcia wejściowego U 1. Inne ważniejsze parametry: – Impedancja wejściowa Z 1 = U 1 / I 1, – Impedancja wyjściową Z 2 = U 2 / I 2, – Pasmo częstotliwości, w którym następuje wzmocnienie. U1U1 U2U2 f KuKu szerokopasmowy selektywny Wzmacniacz operacyjny

53 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 53 Decybel Wzmocnienie można też podawać w decybelach (dB). Przelicznik jest następujący: Jednostką główną jest bel (1 B), rzadko używany. Wzmocnienie wynosi 1 B, jeżeli moc sygnału wyjściowego jest 10 razy większa niż wejściowego. Decybel jest jednostką 10 razy mniejszą. Wzmacniacz operacyjny

54 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 54 Wzmacniacze wielostopniowe Wzmacniacze budowane są zazwyczaj jako wielostopniowe. Stopień pierwszy (przedwzmacniacz) ma za zadanie dopasowanie wzmacniacza do źródła (dobór impedancji wejściowej); od jego szumów zależy jakość całego wzmacniacza. Stopień drugi to wzmacniacz główny; kształtuje charakterystykę K u ( f ). Zadaniem stopnia trzeciego jest dostarczenie wzmocnionego sygnału do obciążenia z możliwie dużą sprawnością poprzez dopasowanie impedancji wyjściowej wzmacniacza do impedancji obciążenia. ~U 1 ~U 2 Stopień WE przed- wzmacniacz Stopień pośredni wzmacniacz główny Stopień WY dopasowanie do odb. Wzmacniacz operacyjny

55 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 55 Wzmacniacze tranzystorowe +U CC RERE RCRC CECE R B1 R B2 ~u we ~u wy C2C2 C1C1 Wzmacniacz operacyjny

56 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 56 Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny jest układem scalonym (np. μA709A) o właściwościach: – Duże wzmocnienie różnicowe ( A 10 5 ÷10 8 ), – Duża rezystancja wejściowa ( R 1 1 MΩ), – Dość mała rezystancja wyjściowa ( R Ω), – Górna częstotliwość graniczna około 1 MHz, – Niewielki prąd wyjściowy (około 20 mA), – Napięcie zasilania 15 V, – Napięcie wyjściowe do około 10 V. Wykorzystywany jest w wielu układach elektronicznych. U1U1 U2U2 15 ~10 –15 ~ –10 ~5 μV nasycenie obszar liniowy nasycenie U1U1 U2U2 Wzmacniacz operacyjny

57 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 57 Wzmacniacz nieodwracający Pokazano przykładowy wzmacniacz nieodwracający wykorzystujący wzmacniacz operacyjny μA709A. U2U2 15 V +15 V 1,5 kΩ100 pF 3 pF 10 kΩ R 1 = 10 kΩ U1U1 R 2 = 1 MΩ 51 Ω Wzmacniacz operacyjny

58 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 58 Idealny wzmacniacz operacyjny Idealny wzmacniacz operacyjny jest elementem o następujących właściwościach: – Wzmocnienie napięciowe A =, – Impedancja wejściowa Z 1 =, – Impedancja wyjściowa Z 2 = 0, – Pasmo przepuszczania od 0 do. Ma dwa wejścia oznaczone + (nieodwracające) i (odwracające) oraz jedno wyjście. Schemat zastępczy to wirtualne zwarcie (tj. zwarcie nie pobierające prądu) po stronie wejściowej i sterowane źródło napięcia na wyjściu. U1U1 U2U2 U1U1 U2U2 U 2 = AU 1 Wzmacniacz operacyjny

59 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 59 Wzmacniacz odwracający R1R1 R2R2 0 i i u we u wy R1R1 R2R2 u we u wy Wyprowadzenie Wzmacniacz operacyjny

60 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 60 0 R1R1 R2R2 Wzmacniacz nieodwracający i i u we u wy R1R1 R2R2 u we u wy Wyprowadzenie Wzmacniacz operacyjny

61 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 61 Wtórnik napięciowy Rozważmy wzmacniacz nieodwracający dla: – R 1 =, – R 2 = 0. Otrzymujemy tzw. wtórnik napięciowy. Jest to element przenoszący napięcie wejściowe na wyjście i całkowicie separujący wejście od wyjścia. R1R1 R2R2 u we u wy Wzmacniacz operacyjny

62 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 62 R3R3 Sumator (analogowy) 0 u wy Wyprowadzenie R u2u2 u wy u3u3 u1u1 R1R1 R2R2 R3R3 R u2u2 u3u3 u1u1 R1R1 R2R2 ii1i1 i2i2 i3i3 Dla R 1 = R 2 = R 3 = R : Wzmacniacz operacyjny

63 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 63 R C Układ całkujący 0 i i u we u wy C Wyprowadzenie R u we u wy Wzmacniacz operacyjny

64 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 64 R C Układ różniczkujący 0 i i u we u wy Wyprowadzenie R C u we u wy ucuc Wzmacniacz operacyjny

65 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 65 Rodzaje elementów optoelektronicznych Element optoelektroniczny to element, którego działanie zależy od łącznego oddziaływania zjawisk elektrycznych i optycznych. Podział: – Fotoemitery (źródła promieniowania), – Fotodetektory (detektory promieniowania), – Fotoogniwa (przetworniki promieniowania), – Transoptory (przekaźniki promieniowania). 8Elementy optoelektroniczne

66 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 66 Fotoemitery Fotoemiterami są diody elektroluminescencyjne (LED – Light Emitting Diode) i diody laserowe. Pod wpływem przepływającego prądu w materiale półprzewodnikowym następuje rekombinacja elektronów i dziur, w wyniku czego emitowane są fotony. Diody mogą emitować światło widzialne różnych kolorów jak i też promieniowanie podczerwone. Elementy optoelektroniczne

67 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 67 Fotodetektory Fotodetektory to elementy, które zmieniają swoje właściwości elektryczne pod wpływem promieniowania (niekoniecznie światła). – Fotodioda – diody, które pod wpływem światła zmniejszają rezystancję (co zwiększa prąd), – Fototranzystor – tranzystor o konstrukcji zbliżonej do tranzystora bipolarnego z tą różnicą, że czynnikiem sterującym jest strumień światła padający na złącze BE, – Fototyrystor – tyrystor, w którym rolę impulsu prądowego bramki pełni impuls światła, – Fotorezystor – rezystor półprzewodnikowy, w którym pod wpływem światła zwiększa się ilość nośników prądu, a przez to rezystancja maleje. Elementy optoelektroniczne

68 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 68 Fotoogniwa W fotoogniwie bariera potencjału oświetlonego złącza (np. n-p lub m-s) rozdziela generowane pod wpływem światła nośniki prądu (zjawisko fotowoltaiczne). Elementy optoelektroniczne

69 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 69 Transoptory i światłowody Transoptor to element, w którym sygnał przekazywany jest przez promieniowanie (świetlne lub podczerwone). Transoptorem jest para elementów fotoemiter-fotodetektor. Światłowód służy do ukierunkowanego przekazywania sygnału świetlnego. Jest to odpowiednik przewodu elektrycznego, ale w odróżnieniu od niego nie potrzeba przewodu powrotnego. Elementy optoelektroniczne

70 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 70 Czego się nauczyliśmy? Dowiedzieliśmy się jaka jest przyczyna obserwowanych właściwości półprzewodników. Poznaliśmy diody, tranzystory, tyrystory i ich zastosowania. Poznaliśmy wzmacniacze operacyjne. Poznaliśmy elementy optoelektroniczne. Podsumowanie

71 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 71 O czym nie było (a szkoda) Jak działa transformator (sprzężenia magnetyczne). Układy trójfazowe. Stany przejściowe. Układy cyfrowe. I wiele innych mniej lub bardziej ciekawych zagadnień.


Pobierz ppt "Elementy elektroniki Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński."

Podobne prezentacje


Reklamy Google