Podstawy teorii przewodnictwa Diody Transystory (bipolarne, unipolarne) Małosygnałowe wzmacniacze tranzystorowe (układ ze wspólnym kolektorem, emiterem)

Podstawy teorii przewodnictwa Pasmo przewodnictwa Obszar zabroniony Pasmo podstawowe (walencyjne) elektrony mogą przebywać tylko w określonych pasmach: (a) podstawowe- są związane z atomem w sieci krystalicznej (b) przewodnictwa-mogą się poruszać „swobodnie” wewnątrz całego kryształu Pasmo wzbronione- lub przerwa energetyczna E

Rodzaje przewodnictwa Izolatory : przerwa E 5 eV (eV = energia 1 elektronu przyspieszonego napieciem 1 V) – duża oporność właściwa Samoistne półprzewodniki : Si (krzem) lub Ge (german) E 1.2 eV (Si) , E  0.7 eV (Ge) Przewodnictwo : brak przerwy energetycznej- elektrony swobodne przemieszczają się wewnątrz kryształu kT=26 mV dla T=300 K, zależy od temperatury (rośnie)! -ruchliwość elektronów (dziur) e=0.38 , dziury=0.18 [m2/(Vs)] N-ilość nośników

Złącze p-n Krzem typu n - domieszkowany (donorami) atomami V grupy (fosfor)-5 elektronów walencyjnych. 4 wiązania kowalencyjne Si użyte jeden elektron (donor) „wolny”. Krzem typu p - domieszkowany (akceptorami) atomami III grupy (Gal)-3 elektronów walencyjnych. 3 wiązania kowalencyjne Si użyte jeden elektron- jedno wiązanie wolne „dziura”- tak jakby był to ładunek dodatni _ +

Złącze p-n Dyfuzja ładunków większościowych Rekombinacja n p ++++++ D-grubość warstwy zaporowej V0=0.7 V potencjał diody Vd-potencjał zasilania N/V- koncentracja nośników n p ++++++ - - - - - - - - - p n X Q V

Złącze p-n uwagi Jeżeli domieszkowanie typu p i n jest różne warstwa zaporowa jest niesymetryczna (NdNa) Elektrony przechodząc do z warstwy n do p natrafiają na dziury i ulegają „rekombinacji” – wydziela się energia . Może być w postaci promieniowania świetlnego- dioda świecąca (LED) Dioda spolaryzowana zaporowo (+ na materiale n oraz - na materiale p) może być źródłem prądu kiedy pada na nią światło- dioda foto-czuła. Grubość warstwy zaporowej zależy od potencjału oraz gęstości domieszkowania (N/V)

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia Praca z diodą n-p Dioda spol. zaporowo Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia

Charakterystyka diody n-p Zródło ac Punkty pracy Linia pracy Charakterystyka jest nieliniowa ! kT/q=T/11.6[mV]= 26mV dla T=300K I0 prąd zerowy

Parametry diod Maksymalny średni prąd przewodzenia I0 (prąd znamionowy) Szczytowe wsteczne napięcie pracy UR oraz prąd wsteczny IR Napięcie przewodzenia UF ( dla diod krzemowych około 0.6 V) Czas właczania (w ns) Ogólny podział diod: Uniwersalne UR =(10-60 )V , I0=(10-80) mA Prostownicze f=(50-1000) Hz Stabilizacyjne (Zenera) UR=(5-7) V , IR=0.1IRMAX Specjalne :tunelowe, Shottkego (metal-półprzewodnik), foto-czułe

Dioda jako prostownik prądu 220 50 Hz Prostownik Jedno-połówkowy 220 50 Hz Prostownik dwu-połówkowy

Dioda Zenera Stabilizator prądu- reguluje stały prąd na obciążeniu przy zmianach napięcia źródła Dioda Zenera pracuje przy napięciu zaporowym jako rezystor bocznikujący o zmiennym oporze !

Zasilacze Transformator prostownik Filtr Stabilizator Odb 220 V

Prostownik mostkowy Vr Vp

Dioda jako element foto-czuły Elektron dziura Polaryzacja w kierunku zaporowym –obwód zamknięty- przepływ prądu o I od zależnym od natężenia światła Obwód otwarty- napięcie zależne od natężenia światła-foto-ogniwo

Dioda jako element świecący LED Rekombinacja elektron-dziura w materiale powoduje emisję światła: GaAs-czerwne =(630-720)nm GaP(N)-zielone =(490-550)nm GaP(Zn)-pomarańczowy

Tran(sfer)(re)zystor bipolarny npn ICIE ICIB IC=IE+IB 1 3 warstwy npn (lub pnp) E-emiter B-Baza C-kolektor Obszar bazy bardzo cienki Złącze E-B spol. w kierunku przewodzenia Złącze B-C zaporowo

Rodzaje tranzystorów bipolarnych Tranzystor stopowy Tranzystor planarny Wykonanie metodą kolejnych dyfuzji oraz masek

Tranzystor bipolarny npn - Zakres aktywnej pracy tranzystora. Pracuje jak wzmacniacz IC=IB + C E UEB<0 UCB>0 + - B - - Zakres nasycenia Pracuje jak układ impulsowy: UCB<0: nasycenie (przewodzenie) zatkanie (brak przewodzenia): UEB>0 UCB>0 C E UEB<0 UCB<0 + + B

Konfiguracje pracy tranzystora IC Wspólna Baza Wspólny Emiter Kolektor IE IC IE IB IB IE IE=IC+IB=IB+IB= (+1)IB IB

Charakterystyki pracy tranzystora (npn) [mA] Obszar Nasycenia UCB<0 IC Obszar aktywny UCB>0 [mA] 4 2 [mA] [A] Obszar przebicia 0.6 [V] Obszar odcięcia 1,2 [V] Obszar nasycenia: złącze CB spolaryzowane w kierunku przewodzenia UCB<0.6, EB w kierunku przewodzenia UEB<0.6 Obszar aktywny: złącze CB spolaryzowane w kierunku zaporowym, EB w kierunku przewodzenia Obszar zatkania: złącze CB oraz EB spolaryzowane zaporowo

Linia pracy tranzystora Układ wyjscia Układ ze wspólnym emiterem (WE) Obszar aktwny Obszar nasycenia Obszar przebicia Układ wejścia VCC=+10 V VBB=+0 lub 5 V RL=1 k, Układ jest w stanie aktywnym gdy UBE>0.6 V

Układ zastępczy tranzystora dla r aacIe  bacIb aacIe rc’ bacIb rb’ B B B re’ Ib Ib re’ Ie re 25 mV/IE E E E Ogólny układ zastępczy dla paramterów r Uproszczony układ zastępczy dla Parametrów r

Różnice pomiędzy bac i bDC ICQ Q DIC { Q IB IB { IBQ DIB bDC = ICQ/IBQ bac = DIC/DIB Wielkości bDC i bac są na ogół różne i zależą od punktu Pracy tranzystora (Q).

Konfiguracje wzmacniaczy: Wspólny Emiter (WE) : emiter jest podłączony do ziemi (V=0),Wejście jest podane na bazę, Wyjście jest na kolektorze Wspólny Kolektor (WK): kolektor jest uziemiony, Wejście jest podane na bazę, Wyjście jest na emiterze Wspólna-Baza (WB): baza jest uziemiona, Wejście jest na emiterze, Wyjście na kolektorze

Wzmaczniacze mało-sygnałowe Punkt pracy (Q) tranzystora ustawiony przez zasilanie dc Wzmaciacze małosygnałowe pracują w pobliżu punktu pracy Konwencje używane dla wartości prądu stałego (DC) i zmiennego (AC): Wartości dc np.:. IE , RE Wartości ac, Ie (wartość rms) , re (wewnętrzne r tranzystora) Wartości chwilowe np: ie

Podstawowy wzmacniacz mało-sygnałowy ze Wspólnym Emiterem +VCC Ic ICQ Vb VBQ R1 RC C2 Ib Rs C1 IBQ VCEQ Vs RL R2 RE Vce C1 i C2 blokują napięcie dc ale przepuszaczają sygnał ac .

Wzmacniacz WE Kondensatory C1 i C2 zapobiegają iż Rs i RL zmieniają wartość zasilania Vs powoduje że Vb i Ib zmieniają się trochę co powoduje duże zmiany w Ic z powodu b Jeżeli Ic zwiększa się, Vce obniża się i vice versa A więc, Vc (wyjście na RL) jest 180o przesunięte w fazie względem Vb

Reprezentacja graficzna IBQ IC Ib IB5 Ic IB4 Q IB3 ICQ IB2 IB1 VCEQ VCE Vce

Analiza DC wzmacniacza WE +VCC RC jezeli bDCRE = RIN(baza) >> R2, wtedy R1 VC VB VE VE = VB - VBE ; R2 RE VC = VCC - ICRC

Analiza AC wzmacniacza WE Rezystancje wejściowe i wyjściowe: RC Rin(tot) = R1//R2//Rin(baza) gdzie Rin(baza) = bacre’ ac ziemia C Vout Rout  RC (wyłączając RL) obciążenia bacIb B Wzmocnienie wzmacniacza: Vin re’ R1 R2 E Jeżeli włączamy RL: Rout = RC//RL , oraz C1, C2 zastępujemy przez zwarcie XC  0

Stabilzacja wzmocnienia +VCC Bocznikując RE zwiększamy wzmocnienie ale układ jest niestabilny ponieważ re’ zależy od IE i temperatury RC C3 R1 C1 Wybierając RE1>10 re’, minimalizujemy wpływ re’ bez znacznej redukcji wzmocnienia R2 RE1 Av  -Rc/RE1 RE2 C2 Rin(base) = bac(re’+RE1)

Wzmocnienie całkowite wzmacniacza WE z pominięciem kond. bocznikującego: C2 Rs Vout Vb Vs R1//R2 Rc = RC//RL Przybliżona zasada Doboru wielkości C2: XC2 < RE/10

Wzmocnienie prądowe (Ai) i wzmocnienie mocy (Ap) Rs Ic Ib Is Vs R1//R2 Rc Stosunek prądu bazy do kolektora jest bac Ale wzmocnienie prądowe Ai = Ic/Is gdzie Wzmocnienie całkowite: Ap = Av’Ai

Wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) +VCC C1 : wejściowy kond. sprzęgający C3 : wyjściowy kond. sprzęgający RC R1 Vout C1 Vin C3 RL R2 RE C2 C2 : dla filtru emitera

Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem (WK) analiza DC : +VCC R1 VE = VB - VBE C1 IE = VE / RE Vin C2 VC = VCC Vout Wzmacniacz WK jest też Znany jako wtórnik- emiterowy ponieważ Vout śledzi Vin w fazie i napięciu. R2 RE RL

Analiza AC wzmacniacza WK aacIe Iin Vin Jeżeli Re >> re’, to, Av  1, oraz Rin(baza)  bacRe re’ R1//R2 Vout Rin(tot) = R1//R2//Rin(baza) Ie Rout  (Rs/bac)//Re (bardzo mała) Re= RE//RL Ai = Ie/Iin  bac (jeżeli R1//R2>> bacRe) Vin = Ie(re’ + Re) Vout = IeRe Ap = AvAi  Ai

Porównanie wzmacniaczy WE, WK, WB

Układ Darlingtona Ie2bac2Ie1 bac1bac2Ie1 Więc, bac(całk) = bac1bac2 +VCC Ie2bac2Ie1 bac1bac2Ie1 Więc, bac(całk) = bac1bac2 zakładając re’ << RE, Rin = bac1bac2RE u.Darlingtona ma b. Duże wzmocnienie prądowe, b.duże Rin, i b. małe Rout - bufor (buffer) Ib1 bac1 bac2 Ie1 Ie2 RE

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniaczy Do tej pory zakładaliśmy że impedancja, XC kondensatorów sprzężeń i filtrów była =0 W . Także pojemności złącz tranzystorów były zaniedbane. Te pojemności jednak wpływają na wzmocnienie i przesunięcia fazowe w obszarze częstości sygnałów wejściowych.

Ogólna funkcja transmisji Av (dB) 3 dB Av (dB) = 20 log Av Częstotliwość odcięcia krytyczne, jest częstością dla Av spadającego o 3 dB. To odpowiada 0.707Av(max) lub 0.5 Ap(max) mocy. Obszar pasma f fcn fcw fcn = obcięcie w niskiej częst. fcw = obcięcie w wysokiej częst Wzmocnienie jest maks w obszarze pasma (0 dB).

Obwód RC na wejściu przy niskiej częstości Rin = R1//R2//Rin(base) C1 Baza tranzystora Vin Częstość krytyczna: Rin VR(in) wyprzedza Vin o: q uwaga: w fc, XC1 = Rin, q = 45o. 90o Jeżeli uwzględnimy Rs źródła: 45o 0o f fc

Obwód wyjściowy RC przy niskiej częstości dla WE +VCC Częstość krytyczna obwodu RC : RC C3 Przesunięcie fazowe: RL Wpływ obwodu wyjściowego RC na Av jest podobny do wejściowego RC . Av (dB) 0.1fc fc f obniżenie Av dla każdego obwodu RC jest 20 dB/decade Dla fc -3 -20

Obwód RC emitera w niskiej częstości +VCC W niskiej częstości, impedancja emitera Ze = RE//XC2, a więc Av : RC Częstość krytyczna: RE C2 gdzie Rth = R1//R2//Rs jest theveninowską Rezystancją patrząc od bazy w kierunku źródła

Całkowita funkcja transmisji fc1, fc2, i fc3 są częstościami krytycznymi dla RC emitera,wyjścia, wejścia RC (w zależności od wielkości kolejności). Układ RC z fc3 jest zwany układem dominującym. fc1 fc2 fc3 f -20 -20 dB/dec -40 -40 dB/dec -60 -80 -60 dB/dec -100 -120 Wykres Bodego dla niskiej częstości

Wysokie częstości Cbc dla dużych f, Cbe powoduje obniżenie napięcia na dzielniku napięcia z RS. Dla dużych, Cbc powoduje ujemne sprzężenie napięciowe i obniża napięcie wejściowe. Av obniża się. Rs Vs Cbe Rc Cbc i Cbe są wewnętrznymi pojemnościami złączowymi które wynoszą parę pF.

Całkowita funkcja transmisji Av (dB) Av(mid) Pasmo przenoszenia = fcu - fcl f fc1 fc2 fc3 fc4 fc5 fc3 i fc4 są dwoma dominującymi częstościami krytycznymi Av jes 3 dB b. fc3 jest dolnym obcięciem, fcl, i fc4 jest górnym obcięciem, fcu

Pomiar zależności wzmocnienia od częstości Vin Vout Generator funkcyjny oscyloskop Av Test Procedura: ustawić częstość w średnim obszarze (~kHz) i Vout na około 1-2 V. Obniżać częstość aż do Vout = 0.707V aby otrzymać fcl. Zwiększać częstość do Vout = 0.707V aby otrzymać fcu. Szerokośc pasma wzmacniacza BW = fcu - fcl. Vin powinno być stałe !

Pomiar częstości krytycznych Wejscie Używając poprzedniego zestawu zmierzyć czas narastania (tr) i czas opadania (tf) sygnału schodkowego. fcu = 0.35/tr fcl = 0.35/tf 90% Wyjście 10% tr Wejście 90% Wyjście 10% tf

Połączenia kaskadowe wzmacniaczy Av1 Av2 Av3 Avn Vout Vin n wzmacniaczy w kaskadzie Całkowite wzmocnienie, AvT = Av1Av2Av3 . . . Avn = Vout/Vin Całkowite wzmocnienie w dB, AvT(dB) = Av1(dB)+Av2(dB) + . . . +Avn(dB) gdzie, Av(dB) = 20 log Av Połączenia kaskadowe stosujemy w celu zwiększenia wzmocnienia

Parametry hybrydowe (h) parametry h są podawane w danych technicznych tranzystorów: hi: wejściowa oporność; wyjście zwarte hr : stosunek napięć (WE/WY), wejśćie otwarte hf : wzmocnienie prądowe; wyjście zwarte ho : konduktancja wyjściowa; wejście otwarte Każdy parametr ma 2 wskaźniki opisujące konfigurację np:, hfe, hfc, hfb

Układ zastępczy tranzystora dla h Iin hi Vin Vout hfIin ho hrVout Diagram przedstawia ogólny układ zastępczy tranzystora dla parametrów h Dla różnych konfiguracji należy wstawić odpowiednio drugi wskaźnik (e,b,c)

Parametry r Oporności, r, są może bardziej intuicyjne: aac : ac (Ic/Ie) bac : ac beta (Ic/Ib) re’ : ac oporność emitera rb’ : ac oporność bazy rc’ : ac oporność kolektora Relacje pomiędzy parametrami h i r aac = hfb ; bac = hfe

Parametry h: Wspólny Emiter Wspólna Baza Wspólny Kolektor