Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński Elementy elektroniki Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński

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.

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

Elektronika i półprzewodniki 1 Półprzewodniki 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.

Pasmowy model ciała stałego Półprzewodniki 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 wyjścia Pasmo przewodzenia Pasmo zabronione Pasmo walencyjne Pasmo powłok wew.

Elektrony swobodne i dziury Półprzewodniki 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.

Jak wyobrażać sobie prąd dziurowy? Półprzewodniki 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 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 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 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).

Dyfuzja nośników ładunku 2 Złącze n-p 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. p n

Bariera potencjału Powstaje bariera potencjału Ubp ≈ 0,4 do 0,8 V. Złącze n-p Bariera potencjału Powstaje bariera potencjału Ubp ≈ 0,4 do 0,8 V. Dipolowa warstwa ładunków z jednej strony przyciąga pozostałe nośniki, lecz z drugiej uniemożliwia ich dalszą dyfuzję. p Ubp n

Złącze n-p 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 > Ubp), zaporowym (U < 0), przebicia (U << 0). Jeżeli 0 < U < Ubp, to złącze zachowuje się prawie tak, jakby nie było napięcia U (w przybliżeniu).

Złącze n-p Stan przewodzenia Jeżeli do złącza n-p przyłożymy zewnętrzne napięcie U ≥ Ubp, 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 Ubp. p U Ubp n U > Ubp

Złącze n-p 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 U Ubp n U < 0

Złącze n-p 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

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

Prostownik jednopołówkowy Diody Prostownik jednopołówkowy A B i R uR ~u 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 Um –Um t uR Um

Prostownik dwupołówkowy Diody Prostownik dwupołówkowy + − Aby uzyskać napięcie wyprostowane dwupołówkowo, można zastosować 4 diody (tzw. mostek Graetza). Jeżeli VA > VB, to przewodzą diody 1 i 4, zaś w przeciwnym razie przewodzą diody 2 i 3. A B i R uR ~u D1 D2 D3 D4 + − − + − + D1 D2 t u Um –Um t uR Um

Diody Wygładzanie napięcia A B i R uR ~u C 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 Um –Um t uR Um t uR Um

Diody Dioda Zenera Dioda Zenera to dioda, której ch-ka w kierunku wstecznym jest bardzo stroma po przekroczeniu napięcia UZ. 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. –UZ U I A K U

Stabilizacja napięcia Diody 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 Uwe odpowiadają małe zmiany napięcia Uwy. A B i Uwe R1 Uwy ~u Uwy Prosty zasilacz

Stabilizacja diodą Zenera – punkt pracy Diody Stabilizacja diodą Zenera – punkt pracy I U R1 Iwe I0 D||R0 Umax Imax ID R0 Uwe U0 ΔIwe R1 D Iwe ID U0 Umin Imin I0 R0 Uwe ΔUwe ΔU0

Diody 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 Schottky’ego – 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.

4 Tranzystor bipolarny 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). npn pnp C E B C E B

Budowa tranzystora bipolarnego Tranzystor bipolarny Budowa tranzystora bipolarnego C (kolektor) E (emiter) B (baza) n p Tranzystor bipolarny typu npn to półprzewodnik typu n przedzielony półprzewodnikiem typu p. Są to jakby dwie diody. Tranzystory często wykonuje się w postaci planarnej. p n B E C Si (podłoże) Si SiO2 C E B

Tranzystor bipolarny 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 UBE ≈ 0,7 V, natomiast napięcie UCB wynosi od ułamków wolta do kilkunastu woltów. UCB > 0 UBE ≈ 0,7 V

Układ ze wspólnym emiterem (OE) Tranzystor bipolarny 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, ICB0 – tzw. kolektorowy prąd zerowy. Natomiast z pierwszego prawa Kirchhoffa: UBB UCC IB IC IE RB RC

Wzmocnienie prądowe w układzie OE Tranzystor bipolarny Wzmocnienie prądowe w układzie OE Z powyższych równań otrzymujemy gdzie β >> 1 jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie OE, IC0 – prąd zerowy kolektora w układzie OE. UBB UCC IB IC IE RB RC

Charakterystyki tranzystora Tranzystor bipolarny Charakterystyki tranzystora Najważniejsze są dwie ch-ki: Wejściowa: IB(UBE), Wyjściowa: IC(UCE). IB IC UCE UBE UCE IC IB = 0 (500 mA) (15 V) IB (5 mA) (2 V) UBE IB

Stan aktywny w układzie OE Tranzystor bipolarny Stan aktywny w układzie OE IC IB ↑ IC ↑ URC ↑ UCE ↓ Najważniejsza cecha: Mały prąd bazy steruje znacznie większym prądem kolektora. Małe zmiany napięcia UBB przenoszą się na duże zmiany napięcia UCE. IE RC URC UCC RB IB UCE UBB UBE UCE IC IB = 0 (500 mA) (15 V) IB RC (5 mA) (2 V) UBE IB RB IB = IB2 UCE2 IC2 IB2 IC1 IB = IB1 IB1 UCE1 UBE1 UBB ΔUBB (0,1 V) UCC (5 V) ΔUCE URC

Tranzystor jako wzmacniacz Tranzystor bipolarny Tranzystor jako wzmacniacz Duże zmiany UCE wywołane małymi zmianami UBB można traktować jako wzmocnienie zmian UBB. W ten sposób otrzymujemy wzmacniacz tranzystorowy o następujących właściwościach: Duże wzmocnienie prądowe (małe zmiany IB powodują duże zmiany IC), Duże wzmocnienie napięciowe (małe zmiany UBB powodują duże zmiany UCE), Odwrócenie fazy o 180° (wzrost UBB powoduje spadek UCE), Mała rezystancja wejściowa (złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia), Duża rezystancja wyjściowa (złącze BC spolaryzowane w kierunku zaporowym).

Wzmacniacz tranzystorowy Tranzystor bipolarny 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. +UCC RC RB1 C2 C1 ~uwy ~uwe RB2 RE CE

Co jest wzmacniane? Mamy dwa źródła napięcia: Tranzystor bipolarny Co jest wzmacniane? Mamy dwa źródła napięcia: stałego UCC (o względnie dużej wartości rzędu 15 V), zmiennego uwe (o względnie małej amplitudzie rzędu ułamków wolta a nawet mV). Napięcie UCC ustala punkt pracy, wokół którego następnie oscylują napięcia i prądy zmienne. W wyniku tego na wyjściu pojawia się napięcie uwy proporcjonalne do uwe, lecz o znacznie większej amplitudzie (rzędu V) i odwróconej fazie. +UCC RC RB1 C2 C1 ~uwy ~uwe RB2 RE CE

Punkt pracy Dla prądu stałego kondensatory stanowią przerwę. Tranzystor bipolarny UBB RB UBE IB Punkt pracy +UCC Dla prądu stałego kondensatory stanowią przerwę. Rezystor RE 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 RB1 i RB2 ustala napięcie UBB, czyli punkt pracy na charakterystyce wejściowej. Punkt pracy obwodu wyjściowego, zależy od rezystora RC oraz prądu bazy. RC RB1 C2 ~uwy C1 UCE IC IB UCC RC IB = IB ~uwe UBB RB2 RE CE Przykładowe wartości: UCC = 15 V RE = 100 Ω RC = 1 kΩ RB1 = 350 kΩ RB2 = 50 kΩ

Oscylacje wokół punktu pracy UCE IC IB UCC RC IB = IB −uwy Tranzystor bipolarny UBB RB UBE IB uwe Oscylacje wokół punktu pracy +UCC Dla zmiennego sygnału wejściowego kondensatory stanowią praktycznie zwarcie. Zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami niewielkie zmiany napięcia uwe powodują duże zmiany napięcia uwy. Wzrost napięcia uwe powoduje spadek napięcia uwy, więc napięcie uwy jest w przeciwfazie (wzmacniacz odwracający). RC RB1 C2 C1 ~uwy ~uwe RB2 RE CE t uwy uwe

Rola elementów wzmacniacza Tranzystor bipolarny Rola elementów wzmacniacza Tranzystor – za pomocą prądu bazy steruje prądem kolektora, Napięcie UCC – zasila tranzystor; moc tego źródła przekształcana jest częściowo na moc sygnału wyjściowego, C1 – usuwa składową stałą z sygnału uwe, C2 – usuwa składową stałą z sygnału uwy, CE – zamyka obwód dla składowej zmiennej, RB1 i RB2 – ustalają punkt pracy tranzystora, RC – ustala punkt pracy obwodu wyjściowego, przejmuje napięcie wywołane prądem kolektora, RE – stabilizuje pracę pod względem zmian temperatury. +UCC RC RB1 C2 C1 ~uwy ~uwe RB2 RE CE

5 Tyrystory 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. K A G p n A K G

Charakterystyka i stany pracy Tyrystory 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 UP może zostać obniżone podaniem impulsu prądowego na bramkę. UAK IA IP blokowanie przełączanie przewodzenie zaworowy UP0 IG = 0 IG A K G UAK IA

Załączenie tyrystora Niech początkowo IG = 0. Tyrystory Załączenie tyrystora Niech początkowo IG = 0. Jeżeli UAK > 0, to środkowe złącze p-n spolaryzowane jest w kierunku zaporowym. Jeżeli UAK < UP0, to tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu (stan blokowania). Jeżeli UAK > UP0 to tyrystor przechodzi w stan przewodzenia. Stan przewodzenia można też osiągnąć jeżeli UAK < UP0, ale pojawi się impuls prądowy bramki IG > 0. Im większy prąd bramki, tym niższe napięcie wyzwolenia. Przejście w stan przewodzenia za pomocą impulsu bramowego nazywamy wyzwoleniem bramkowym. IP blokowanie przełączanie przewodzenie UAK IA UP0 IG = 0 IG UAK IA IG A K G

Tyrystory Wyłączenie tyrystora W stanie przewodzenia napięcie UAK ≈ 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 UAK poniżej wartości krytycznej, Przez obniżenie prądu tyrystora poniżej wartości krytycznej IP. 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. IP blokowanie przełączanie przewodzenie UAK IA

Tyrystory Triak Triak jest elementem podobnym do tyrystora, ale może przewodzić prąd w dwie strony. U I IP blokowanie przełączanie przewodzenie UP0 IG = 0 IG −UP0 −IP A1 A2 G

6 Tranzystory unipolarne 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.

Tranzystory unipolarne Złącze MOS Złącze MOS to trójwarstwowa struktura metalu, dwutlenku krzemu (SiO2) 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 (SiO2) Metal (bramka) G B

Tranzystory unipolarne 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 D S p n NMOS G D S B G D S B NMOS PMOS

Efekt polowy Rozważmy tranzystor NMOS. Tranzystory unipolarne Efekt polowy Rozważmy tranzystor NMOS. W podłożu typu p znajduje się wiele dziur (pasmo walencyjne) oraz znacznie mniej elektronów w paśmie przewodnictwa. Jeżeli UGB = 0, to jedno albo obydwa złącza p-n spolaryzowane są zaporowo i prąd IDS nie może płynąć (chyba, że napięcie UDS jest na tyle duże, że nastąpi przebicie tych złącz). Jeżeli UGB < 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 IDS nie może płynąć. G B D S p n

Efekt polowy – powstawanie kanału Tranzystory unipolarne Efekt polowy – powstawanie kanału Jeżeli UGB > 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 UGB ≥ UT0 (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 UDS popłynie prąd IDS. G B D S p n

Charakterystyki przejścia Tranzystory unipolarne Charakterystyki przejścia zub. wzb. Przy stałym napięciu UDS prąd IDS nie popłynie, jeżeli UGB < UT0 (to dla NMOS, a dla PMOS zachodzi UGB > UT0 < 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. UGB IDS UT0 NMOS UT0 PMOS wzb. zub. UDS = const

Charakterystyki wyjściowe Tranzystory unipolarne Charakterystyki wyjściowe Przy stałej wartości UGB > UT0 (NMOS) prąd IDS w pewnym zakresie zależy liniowo od UDS (jak w rezystorze), zaś dla odpowiednio dużego napięcia UDS 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. UGB < UT0 UGB UDS IDS obszar liniowy obszar nasycenia

Tranzystory unipolarne 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.

Wzmacniacz 7 Wzmacniacz operacyjny 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.

Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz napięcia Podstawowym parametrem jest współczynnik wzmocnienia napięciowego Ku – jest to stosunek wartości skutecznej napięcia wyjściowego U2 do wartości skutecznej napięcia wejściowego U1. Inne ważniejsze parametry: Impedancja wejściowa Z1 = U1/I1, Impedancja wyjściową Z2 = U2/I2, Pasmo częstotliwości, w którym następuje wzmocnienie. U1 U2 f Ku szerokopasmowy selektywny

Decybel Wzmocnienie można też podawać w decybelach (dB). Wzmacniacz operacyjny 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.

Wzmacniacze wielostopniowe Wzmacniacz operacyjny 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 Ku(f). Zadaniem stopnia trzeciego jest dostarczenie wzmocnionego sygnału do obciążenia z możliwie dużą sprawnością poprzez dopasowanie impedancji wyjściowej wzmacniacza do impedancji obciążenia. Stopień pośredni wzmacniacz główny Stopień WE przed- wzmacniacz Stopień WY dopasowanie do odb. ~U1 ~U2

Wzmacniacze tranzystorowe Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacze tranzystorowe +UCC RE RC CE RB1 RB2 ~uwe ~uwy C2 C1

Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny jest układem scalonym (np. μA709A) o właściwościach: Duże wzmocnienie różnicowe (A ≈ 105÷108), Duża rezystancja wejściowa (R1 ≈ 1 MΩ), Dość mała rezystancja wyjściowa (R2 ≈ 100 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. U1 U2 15 ~10 –15 ~ –10 ~5 μV nasycenie obszar liniowy U1 U2

Wzmacniacz nieodwracający Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz nieodwracający Pokazano przykładowy wzmacniacz nieodwracający wykorzystujący wzmacniacz operacyjny μA709A. U2 −15 V +15 V 1,5 kΩ 100 pF 3 pF 10 kΩ R1 = 10 kΩ U1 R2 = 1 MΩ 51 Ω 1 2 3 4 5 6 7 8

Idealny wzmacniacz operacyjny Idealny wzmacniacz operacyjny jest elementem o następujących właściwościach: Wzmocnienie napięciowe A = ∞, Impedancja wejściowa Z1 = ∞, Impedancja wyjściowa Z2 = 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. U1 U2 U1 U2 U2 = AU1

Wzmacniacz odwracający Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz odwracający R1 R2 uwe uwy Wyprowadzenie R1 R2 i i uwe uwy

Wzmacniacz nieodwracający Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz nieodwracający R2 R1 uwy uwe Wyprowadzenie R1 R2 i i uwy uwe

Wtórnik napięciowy Rozważmy wzmacniacz nieodwracający dla: Wzmacniacz operacyjny Wtórnik napięciowy R2 R1 uwy uwe Rozważmy wzmacniacz nieodwracający dla: R1 = ∞, R2 = 0. Otrzymujemy tzw. wtórnik napięciowy. Jest to element przenoszący napięcie wejściowe na wyjście i całkowicie separujący wejście od wyjścia.

Sumator (analogowy) Wzmacniacz operacyjny R u2 uwy u3 u1 R1 R2 R3 Dla R1 = R2 = R3 = R: Wyprowadzenie R1 i1 i R R2 u1 i2 R3 u2 i3 uwy u3

Układ całkujący Wzmacniacz operacyjny C R uwe uwy Wyprowadzenie R C i uwe uwy

Układ różniczkujący Wzmacniacz operacyjny R C uwe uwy Wyprowadzenie R uwe uc uwy

Rodzaje elementów optoelektronicznych 8 Elementy optoelektroniczne 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).

Elementy optoelektroniczne 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 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 Fotoogniwa W fotoogniwie bariera potencjału oświetlonego złącza (np. n-p lub m-s) rozdziela generowane pod wpływem światła nośniki prądu (zjawisko fotowoltaiczne).

Transoptory i światłowody Elementy optoelektroniczne 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.

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

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.