Urządzenia półprzewodnikowe Wykład elektronika Urządzenia półprzewodnikowe

Podział materiałów: dielektryki, półprzewodniki, metale ∆Eg ∆Eg Dielektryki ∆Eg 4÷15 eV Półprzewodniki ∆Eg 0.1÷1,2 eV Metale ∆Eg=0 eV

Najważniejszym półprzewodnikiem jest krzem Si, przerwa energetyczna ∆E=1.1 eV Gęstość nośników prądu w półprzewodniku określa się literami n oraz p W krzemie domieszkowanym arsenen (As) nosnikami sa elektrony i ten typ półprzewodnika oznacza się literą n (negative)

Półprzewodnik domieszkowany: poziom akceptorowy W krzemie domieszkowanym borem (B) nosnikami są dziury i ten typ półprzewodnika oznacza się literą p (positive)

Złącze n-p

Równaniem Shockley’a złącza półprzewodnikowego np Dioda jest elementem nieliniowym bo prąd nie jest liniowa funkcją przyłożonego napięcia Anoda (p) Katoda (n) Jeżeli przyłożymy dodatnie napięcie do anody (p) to przez diodę popłynie prąd (dioda przewodzi) Jeżeli przyłożymy ujemne napięcie do anody (p) to prąd nie popłynie (dioda nieprzewodzi)

Niektóre rodzaje diod półprzewodnikowych: 1. dioda prostownicza 2. dioda Zenera 3. dioda elektroluminiscencyjna (LED 4. fotodioda 5. dioda detekcyjna 6. dioda pojemnościowa (warikap) 7. dioda tunelowa

Dioda prostownicza Parametry diody prostowniczej: Dioda prostownicza służy do uzyskania napięcia o jednej polaryzacji („wyprostowania” napięcia zmiennego). Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku (przy polaryzacji przewodzenia). Parametry diody prostowniczej: 1. Maksymalny prąd przewodzenia Imax od 0.1 A do 1000 A 2. Maksymalne napięcie wsteczne Uwst od 2 V do kilkuset woltów 3. Prąd wsteczny Ir rzędu  A 4. Napięcie przewodzenia przy Imax 0.2 V dla germanowej diody do 0.7 V dla diody krzemowej

Dida Zenera Dioda Zenera służy do stabilizacji napięć. Pracuje przy napięciu „wstecznym” (zaporowym) Parametrami diody Zenera jest: 1. Napięcie stabilizacji UDZ (na rysunku Ur=17,1 V 2. Moc dopuszczalna lub prąd dopuszczalny

Dioda elektroluminiscencyjna (LED) Napięcia przewodzenia przy diodach świecących wynoszą od 1.9 V do 4 V

Fotodioda - Upol R Uwyj + Fotodioda jest włączona zaporowo ! Fotony padając na fotodiodę generują w złączu nośniki prądu i prąd wsteczny diody się zmienia + Fotodioda jest włączona zaporowo !

Dioda detekcyjna Dioda detekcyjna ma bardzo małe napięcie przewodzenia

Dioda pojemnościowa (warikap) Dioda pojemnościowa jest włączona zaporowo i jej pojemność C w pF zależy od przyłożonego napięcia wstecznego od 6 do 20 pF Dioda pojemnościowa służy do strojenia obwodów rezonansowych LC

Dioda tunelowa Dioda tunelowa ma obszar o ujemnej impedancji tzn. ze zwiększeniem napięcia opór maleje Typowe Up to 70 mV a Uv 400 mV; a Ip to kilkanaście miliamperów Dioda tunelowa służy do detekcji wysokoczęstotliwościowych (GHz) sygnałów lub jako generatorów

Jak działa transformator Transformatory Transformatory to urządzenia pozwalające na zmianę napięć i prądów zmiennych bez straty mocy Jak działa transformator (zdjęcie i WIKIPEDI) Transformator składa się z: 1. Uzwojenie pierwotne (zasilanie) 3. Rdzeń ferromagnetyczny Zmienne napięcie na wyjściu U2 jest zależne od napięcia na wejściu wzorem: 𝑈 2 = 𝑈 1 𝑁 2 𝑁 1 2. Uzwojenie wtórne (wyjście) Jeżeli N2>N1 to napięcie na wyjściu U2 jest większe od U1. Jeżeli N2<N1to napięcie na wyjściu U2 jest mniejsze od U1 Moc na wyjściu jest równa mocy na wejściu P2=P1= I1U1=U2I2 Moc transformatora 𝑃= 𝑆 gdzie S to przekrój rdzenia (cm2) a P moc (WAT) Obwód wejściowy jest izolowany od obwodu wyjściowego!!!

Wygląd transformatora małej mocy z rdzeniem żelaznym Transformator toroidalny

Uzyskiwanie napięć stałych z napięć zmiennych (z sieci energetycznej 230 V) transformator prostownik filtr Usieć stabilizator Ustab Transformator zmniejsza napięcie zmienne Prostownik wytwarza tętniące napięcie dodatnie Filtr „wygładza” tętnienia Stabilizator „usuwa” tętnienia i wytwarza napięcie stałe o żądanej wartości Uwyj

Prostownik jednopołówkowy C1 ∆ 𝑈 𝑡 = 𝑄 𝐶 = 𝐼𝑑𝑡 𝐶 ≈ 𝐼∆𝑡 𝐶 𝑓= 1 ∆𝑡 gdzie f jest częstością sieci ∆ 𝑈 𝑡 = 𝐼 𝑓𝐶

Prostownik dwupołówkowy (układ Graetza) Po podłączeniu kondensatora filtrującego C 2𝑓= 1 ∆𝑡 ∆ 𝑈 𝑡 = 𝐼 2𝑓𝐶 ∆ 𝑈 𝑡 = 𝑄 𝐶 = 𝐼𝑑𝑡 𝐶 ≈ 𝐼∆𝑡 𝐶

Prostownik dwupołówkowy z dwiema diodami Zaleta: tylko dwie diody Wada: prąd płynie podczas jednego półokresu sieci tylko przez połowę uzwojeń i transformator jest bardziej skomplkowany

Podwajacz napięcia

Tranzystory bipolarne Dioda to jedno złącze np czyli połączenie dwóch półprzewodników jeden typu n (przewodnictwo elektronowe) a drugi typu p (przewodnictwo dziurowe) p n anoda katoda W diodzie mamy jedno złącze prostujące Tranzystor bipolarny to dwa złącza prostujące położone bisko siebie p n p lub n p n Tranzystor ma trzy elektrody Mamy dwa typy tranzystorów !! pnp npn kolektor emiter kolektor emiter Emiter jest ze strzałką!!!! baza baza

Mały prąd baza-emiter wywołuje duży prąd kolektor-emiter!! Działanie tranzystora bipolarnego p n p K B E kolektor baza emiter K B E Jeżeli przyłożymy napięcie między kolektor (K) a emiter E to tranzystor nie przewodzi bo albo jedno złącze pn albo drugie złącze np jest spolaryzowane zaporowo!!! Jednak ponieważ złącza pn i np leżą bardzo blisko siebie to prąd baza-emiter wpływa silnie na zaporowo spolaryzowane złącze K-B i prąd z kolektora do emitera popłynie!!! Mały prąd baza-emiter wywołuje duży prąd kolektor-emiter!! Prąd emitera Ie jest sumą prądów IB oraz IK IE=IK+IB Prąd kolektora Ik Prąd baza-emiter IB Prąd emitera IE

Strzałka do wewnątrz tranzystora oznacza tranzystor pnp !! K B E W tranzystorze pnp do kolektora K musi być przyłożone napięcie ujemne względem emitera E !!! Strzałka do wewnątrz tranzystora oznacza tranzystor pnp !! K B E kolektor baza emiter W tranzystorze npn do kolektora K musi być przyłożone napięcie dodatnie względem emitera E!!! Strzałka na zewnątrz tranzystora oznacza tranzystor npn !! K B E kolektor baza emiter Tranzystor bipolarny pracuje (stan aktywny) wtedy kiedy złącze K-B (kolektor-baza) jest spolaryzowane zaporowo a złącze B-E (baza-emiter) przewodząco !!! tzn. dla typu npn do kolektora musi być przyłożone napięcie dodatnie a dla typu pnp ujemne

W tranzystorze bipolarnym najważniejszym parametrem jest współczynnik wzmocnienia prądowego 𝛽= 𝐼 𝐾 𝐼 𝐵 który jest rzędu 100 Złącze baza-emiter musi być spolaryzowane przewodząco aby prąd bazy (IB) popłynął i wywołał prąd kolektora. Ckarakterystyka Ic w funkcji UCE dla różnych prądów bazy (IB) wygląda: Tranzystor bipolarny można uważać w przybliżeniu za źródło prądu (Ic) sterowane prądem bazy (IB)

Stany pracy tranzystora w zależności od polaryzacji złącz: 1. Stan aktywny (najczęściej): złącze K-B zaporowo złącze B-E przeodząco (Ic>0 2. Stan odcięcia : złącze K-B zaporowo złącze B-E zaporowo (Ic=0) 3. Stan nasycenia: złącze K-B przewodząco złącze B-E przewodząco (Ic=Imax) 4. Stan inwersji (nieprawidłowy): złącze K-B przewodząco złącze B-E zaporowo Tranzystor jako przełącznik „Tranzystorowy człowiek” według książki W.Hill

Pasmo graniczne tranzystora Budowa różnego typu tranzystorów powoduje, że częstość graniczna jest różna. Istnieją tzw. pasożytnicze pojemności CKB oraz CEB ograniczające pasmo przenoszenia Opór rbb oraz CEB tworzą filtr dolnoprzepustowy

Uwej Uwyj Tranzystor jako czwórnik Zwykle jedna z elektrod tranzystora E lub B lub K jest wspólna i mamy trzy podstawowe układy tranzystorowe: Układ ze wspólną bazą (WB) Układ ze wspólnym emiterem (WE) Układ ze wspólnym kolektorem (WC)

Czwórnik tranzystorowy cd. Najczęściej opis czwórnika tranzystorowego przedstawia się w równaniami hybrydowymi typu [h] U1=h11I1 + h12U2 I2 =h21I1 + h22 U2 Wówczas np. ℎ 21 = 𝐼 2 𝐼 1 dla U2=0; dla tranzystora

Wzmacniacze tranzystorowe WE, WC, WB (wspólny emiter WE; wspólny kolektor WC; wspólna baza WB Jakie parametry wzmacniaczy będziemy wyznaczać: 1. Wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 = 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 𝑤𝑒𝑗 2. Impedancja (oporność) wejściowa Rwe 3. Impedancja (oporność) wyjściowa Rwy 4. Pasmo przenoszenia ( ν 𝑑𝑜𝑙𝑛𝑎 ; ν 𝑔ó𝑟𝑛𝑎 ) ;𝑝𝑎𝑠𝑚𝑜 3𝑑𝐵;𝑝𝑎𝑠𝑚𝑜 6𝑑𝐵 5. Wzmocnienie prądowe 𝐾 𝐼 = 𝐼 𝑤𝑦𝑗 𝐼 𝑤𝑒𝑗

Idea wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) +Ucc Tranzystor npn (bo strzałka na zewnątrz) Więc napięcie zasilania Ucc dodatnie RL Opornik obciążenia RL K B U2 U1 E Parametr zależny od rodzaju tranzystora β= 𝐼 2 𝐼 1 𝐾 𝑢 = ∆𝑈 2 ∆𝑈 1 𝑅 𝑤𝑒𝑗 = 𝑅 𝐵𝐸 = 𝑈 1 𝐼 1 czyli opór złącza prostującego baza-emiter 𝐾 𝑢 = ∆ 𝐼 2 𝑅 𝑙 𝑈 1 = β𝐼 1 𝑅 𝐿 𝑈 1 =β 𝑅 𝐿 𝑅 𝐵𝐸 Wzmocnienie napięciowe jest duże dla WE

Opór wyjściowy wzmacniacza ze wspólnym emiterem Potraktujmy przez chwilę tranzystor jako opornik Rtranz (jest to nieprawidłowe) Ucc Otrzymaliśmy dzielnik napięcia RL 𝑈 2 = 𝑈 𝑐𝑐 𝑅 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 𝑅 𝐿 + 𝑅 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 U2 Rtranz Z zasady Thevenina 𝐼 𝑧𝑤𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎 = 𝑈 2 𝑅 𝐿 Opór 𝑅 𝑤𝑦𝑗 = 𝑈 2 𝐼 𝑧𝑤𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎 = 𝑅 𝐿 𝑅 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 𝑅 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 + 𝑅 𝐿 A ponieważ 𝑅 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 = ∆𝑈 𝐶𝐸 ∆𝐼 𝑐 Rtranz jest bardzo duży (patrz wykres) więc 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅 𝐿

Pasmo przenoszenia wzmacniacza ze wspólnym emiterem Ponieważ ze wzrostem napięcia na wejściu wzrasta prąd kolektora Ic to napięcie na wyjściu maleje Wzmacniacz ze wspólnym emiterem odwraca fazę! Kondensator pasożytniczy Cbk złącza baza-kolektor przenosi w przeciwnej fazie część napięcia z wyjścia do wejścia (Efekt Millera) to napięcie na wyjściu maleje (Ku maleje) Pasmo przenoszenia wzmacniacza WE jest najmniejsze w porównaniu z innymi układami (WC oraz WB)

Cechy wzmacniacza ze wspólnym emiterem WE 1. Duże wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 ≅β 𝑅 𝐿 𝑅 𝑏𝑎𝑧𝑎−𝑒𝑚𝑖𝑡𝑒𝑟 - zaleta 2. Duże wzmocnienie prądowe 𝐾 𝐼 ≅β - zaleta 3. Mała oporność wejściowe 𝑅 𝑤𝑒 = 𝑅 𝑏𝑎𝑧𝑎−𝑒𝑚𝑖𝑡𝑒𝑟 - wada 4. Duża oporność wyjściowa 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅 𝐿 - wada 5. Ograniczone od góry pasmo przenoszenia (efekt Millera) - wada 6. Wzmacniacz WE odwraca fazę (napięcie na wyjściu maleje kiedy napięcie na wejściu rośnie)

Układy praktyczne wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) Opornik RB – opór polaryzujący złącze baza-emiter przewodząco 𝑅 𝐵 ≈100 𝑘Ω RL opór obciążenia ( 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅 𝐿 ) 𝑅 𝐿 ≈1 𝑘Ω C1 kondensator odcinający od wejścia napięcie stałe – (wzmacniacz przestaje wzmacniać napięcia stałe) Kondensator C1 oraz opór baza-emiter (rBE) tworzą filtr górnoprzepustowy RC na wejściu wzmacniacza ; wzmacniacz będzie wzmacniał od częstości ν 𝑑 ≈ 1 2𝜋𝑅𝐶 C2 kondensator odcinający od wyjścia napięcie stałe (stałe napięcie kondensatora nie przechodzi na wyjście) Napięcie między masą a kolektorem (Uc) powinno być równe połowie napięcia zasilania 𝑈 𝑐 ≅ 1 2 𝐸 ; trzeba dobrać RB aby tak było νd

Dobór warunków pracy wzmacniacza ze wspólnym emiterem (WE) Punkt pracy to napięcie kolektor-emiter (Uc) przy zerowym napięciu wejściowym (Uwej=0) Napięcie zasilania E musi być dodatnie bo tranzystor jest npn (strzałka na zewnątrz) i złącze np KB (kolektor baza) ma być spolaryzowane zaporowo 3. Punkt pracy powinien leżeć „poniżej” hiperboli mocy (strata mocy w tranzystorze to P=Ic*Uc) Producent określa moc maksymalną Pmax 1. Podczas wzmacniania największe napięcie na kolektorze (Uc ) może być równe napięciu zasilania E kiedy prąd baza-emiter <=0 (IB =0) ; wówczas prąd kolektora Ic =0 i nie ma spadku napięcia na RL (Ic*RL=0 a Uc =E-Ic*RL) 2. Podczas wzmacniania najmniejsze napięcie na kolektorze (Uc) będzie zbliżone do zera (około 0.6 V) kiedy tranzystor pracuje w stanie nasycenia (βIB = 𝐼 𝑐 ; 𝐼 𝐶 ∗ 𝑅 𝐿 ≅𝐸 ;𝑡𝑜 𝑈 𝐶 =𝐸− 𝐼 𝐶 ∗ 𝑅 𝐿 ≈0 Napięcie między masą a kolektorem (Uc) powinno być równe połowie napięcia zasilania 𝑈 𝑐 ≅ 1 2 𝐸 ; trzeba dobrać RB aby tak było

9. To 𝑅 𝐵 = 𝐸−0.6 𝐼 𝐵 = 2(𝐸−0.6) 𝑅 𝐿 β 𝐸 ≈2 𝑅 𝐿 β Jak dobrać opór polaryzujący złącze baza-emiter RB aby uzyskać napięcie na kolektorze Uc=1/2E ? (metoda przybliżona) Znajdujemy w katalogu danego tranzystora wartość β czyli współczynnik wzmocnienia prądowego (β= 𝐼 𝑐 𝐼 𝐵 ) 2. Opornik RL ustalamy by uzyskać oporność wyjściową rzędu RL a wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 =β 𝑅 𝐿 𝑟 𝐵𝐸 (gdzie rBE to opór złącza baza-emiter) 3. Napięcie na kolektorze powinno być połową napięcia zasilania 𝑈 𝑐 = 1 2 𝐸 4. więc wyliczmy prąd Ic z równania 𝑈 𝑐 =𝐸− 𝐼 𝑐 𝑅 𝐿 5. 1 2 𝐸=𝐸− 𝐼 𝐶 𝑅 𝐿 czyli 𝐼 𝑐 = 𝐸 2 𝑅 𝐿 6. Znając Ic z zależności β= 𝐼 𝑐 𝐼 𝐵 wyliczamy prąd IB 7. i otrzymujemy 𝐼 𝐵 = 𝐸 2 𝑅 𝐿 β 8. Ponieważ napięcie złącza pn baza-emiter UBE nie jest większe od 0.6 V 9. To 𝑅 𝐵 = 𝐸−0.6 𝐼 𝐵 = 2(𝐸−0.6) 𝑅 𝐿 β 𝐸 ≈2 𝑅 𝐿 β

Wady najprostszego układu ze wspólnym emiterem Ponieważ wartość β dla danego typu tranzystora ma duży rozrzut i zależy od temperatury to punkt pracy (napięcie Uc) ,które zależy od β, zmienia się. 𝑅 𝐵 ≈2 𝑅 𝐿 β Poprawiony układ ze wspólnym emiterem (WE) Napięcie na oporze RE jest praktycznie równe napięciu wejściowemu Uwej czyli prąd ∆IE= ∆𝑈 𝑤𝑒𝑗 𝑅 𝐸 RB RL Zmiana napięcie na wyjściu ∆𝑈 𝑤𝑦𝑗 =− 𝑅 𝐿 ∆ 𝐼 𝐶 Praktycznie ∆ 𝐼 𝐶 =∆ 𝐼 𝐸 więc ∆𝑈 𝑤𝑦𝑗 =− 𝑅 𝐿 ∆ 𝐼 𝐸 𝑠𝑡ą𝑑 ∆ 𝐼 𝐸 =− ∆ 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑅 𝐿 𝐾 𝑢 =− 𝑅 𝐿 𝑅 𝐸 − ∆ 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑅 𝐿 = ∆ 𝑈 𝑤𝑒𝑗 𝑅 𝐸 ale 𝐾 𝑈 = 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 𝑤𝑒𝑗 więc

Wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) i stabilizacją punktu pracy o dużym wzmocnieniu dla prądów zmiennych Kondensator 10F między emiterem a masą stanowi dla prądów zmiennych małą impedancję więc 𝐾 𝑢 ≅−𝛽 𝑅 𝐿 𝑟 𝐵𝐸 a nie 𝐾 𝑢 =− 𝑅 𝐿 𝑅 𝐸

Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem (WK) lub z angielskiego (WC) Idea Wyliczamy wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 = 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 𝑤𝑒𝑗 Napięcie na wejściu (Uwej) jest podzielona między napięcie na wyjściu (Uwyj) i napięcie baza-emiter (UBE) Uwej UBE Uwyj 𝑈 𝑤𝑒𝑗 = 𝑈 𝐵𝐸 + 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 𝑤𝑦𝑗 = 𝑈 𝑤𝑒𝑗 − 𝑈 𝐵𝐸 RL 𝐾 𝑢 = 𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 𝑤𝑒𝑗 = 𝑈 𝑤𝑒𝑗 − 𝑈 𝐵𝐸 𝑈 𝑤𝑒𝑗 ≅1 Wzmocnienie napięciowe dla WK jest równe Ku =1 !!!! (nie wzmacnia!!!) Wzmocnienie prądowe dla WK Ki=β (DUŻE) !!! Obliczenie oporu wejściowego; (znamy parametr β tranzystora 𝛽= 𝐼 𝐶 𝐼 𝐵 Ale 𝑅 𝑤𝑒𝑗 = ∆ 𝑈 𝑤𝑒𝑗 ∆ 𝐼 𝐵 ∆ 𝑈 𝑤𝑦𝑗 =∆ 𝑈 𝑤𝑒𝑗 ∆ 𝐼 𝑐 ∗ 𝑅 𝐿 =∆ 𝑈 𝑤𝑒𝑗 𝛽∆ 𝐼 𝐵 ∗ 𝑅 𝐿 =∆ 𝑈 𝑤𝑒𝑗 𝑅 𝑤𝑒𝑗 =𝛽∗ 𝑅 𝐿 Opór wejściowy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) jest bardzo duży !!! Oporu wyjściowy ( 𝑅 𝑤𝑦𝑗 = ∆ 𝑈 𝑤𝑦𝑗 ∆ 𝐼 𝑤𝑦𝑗 ) 𝑅 𝑤𝑦𝑗 = 𝑅 𝐿 𝛽

Cechy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) 1. Wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 ≅1 - nie wzmacnia napięciowo 2. Duże wzmocnienie prądowe 𝐾 𝐼 ≅β - zaleta 3. Duża oporność wejściowe 𝑅 𝑤𝑒 =𝛽∗ 𝑅 𝐿 - zaleta 4. Mała oporność wyjściowa 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅 𝐿 - zaleta 5. pasmo przenoszenia dość duże - zaleta 6. Wzmacniacz WK nie odwraca fazy (napięcie na wyjściu „wtóruje” napięciu na wejściu stąd nazwa WK „WTÓRNIK”)

𝑅 𝐵 = 𝐸−0.6 𝐼 𝐵 = 2(𝐸−0.6) 𝑅 𝐿 β 𝐸 ≈2 𝑅 𝐿 β Ustalenie punktu pracy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem, czyli dobrać opór polaryzujący złącze baza-emiter RB aby uzyskać napięcie na wyjściu Uc=1/2E ? E Dobieramy tak RB aby na wyjściu było równe połowie napięcia zasilania 𝑈 𝑤𝑦𝑗 = 1 2 𝐸 RB C Uwej Uwyj Robimy to dokładnie tak jak przy wzmacniaczu ze wspólnym emiterem (WE) RL 𝑅 𝐵 = 𝐸−0.6 𝐼 𝐵 = 2(𝐸−0.6) 𝑅 𝐿 β 𝐸 ≈2 𝑅 𝐿 β Taki układ wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) ma dużą wadę: punkt pracy czyli ( 𝑈 𝑤𝑦𝑗 = 1 2 𝐸) zmienia się z temperaturą Poprawiony układ stabilizujący punkt pracy Dzielnik utworzony z R1 = R2 daje napięcie równe połowie napięcia zasilania Vcc

Poprawiony układ stabilizatora napięcia Jeżeli w napięciu zasilania występują tętnienia to układ je eliminuje (filtr RC)

Takie by nie przekroczyć mocy określonej przez producenta P=I*U Stabilizator napięcia wykorzystujący wzmacniacz ze wspólnym kolektorem (WK) (wtórnik emiterowy) Pokazywaliśmy już diodę Zenera stabilizującą napięcie Ten układ ma wadę bo z naszego stabilizowanego źródła napięcia nie możemy czerpać dużych prądów Diodę Zenera umieszczamy na wejściu wzmacniacza ze wspólnym kolektorem i uzyskujemy takie samo stabilne napięcie ale możemy czerpać duże prądy Takie by nie przekroczyć mocy określonej przez producenta P=I*U Opornik Rc służy do zabezpieczenia tranzystora wyniku zwarcia wyjścia (opornik Rc ogranicza prąd zwarcia)

Tranzystorowe źródło prądu Napięcie na bazie 5.6 V jest stabilne więc na emiterze napięcie jest także stabilne (pomniejszone o napięcie baza-emiter UBE) Stabilne napięcie 5 V na rezystorze 10kΩ powoduje prąd kolektora 𝐼 𝑐 = 𝑈 𝐸 𝑅 𝐸 = 5 𝑉 10 4 Ω =0.5 𝑚𝐴 Przez odbiornik w kolektorze płynie stały prąd 0.5 mA

Wzmacniacz symetryzujący o wzmocnieniu Ku=1 Mamy dwa wyjścia na których sygnał jest identyczny ale przesunięty w fazie o 1800

Wzmacniacz ze wspólną bazą (WB) Wzmocnienie napięciowe 𝐾 𝑢 = 𝑅 𝐿 𝑅 𝑐 Wzmocnienie prądowe 𝐾 𝑢 ≅1 Opór wejściowy b. mały (rBE) Opór wyjściowy duży zbliżony do RL Idea WB Układ praktyczny Pasmo przenoszenia duże RL Nie odwraca fazy Ze względu na pasmo przenoszenia stosowany w głowicach telewizyjnych i radiowych RE

Wzmocnienie 𝐾 𝑢 =𝛽 𝑅 𝐿 𝑟 𝐵𝐸 zależy od oporu w kolektorze Zamiast oporu RL mamy impedancję równolegle połączonych indukcyjności L oraz C Z prawa Kirchoffa 1 𝑍 𝐿𝐶 = 1 𝑍 𝐿 + 1 𝑍 𝐶 𝑍 𝐿 =𝑗𝜔𝐿 ; 𝑍 𝐶 = 1 𝑗𝜔𝐶 1 𝑍 𝐿𝐶 = 1 𝑗𝜔𝐿 +𝑗𝜔𝐶 𝑍 𝐿𝐶 =𝑗 𝜔𝐿 1− 𝜔 2 𝐿𝐶 Dla jednej częstości 𝜔 𝑟 = 1 𝐿𝐶 𝑧𝑎𝑐ℎ𝑜𝑑𝑧𝑖 1− (𝜔 𝑟 ) 2 𝐿𝐶 =0 Dla 𝜔 𝑟 𝑍 𝐿𝐶 →∞ czyli KU→∞

Układ o dużym oporze wejściowym

Klasy pracy wzmacniaczy tranzystorowych W klasie A jeżeli sygnału nie ma (Uwej=0; linia przerywana) to i tak płynie prąd kolektora Ic i na tranzystorze wydziela się moc P=Ic*UKE W klasie B jeżeli sygnału nie ma (Uwej=0) to nie płynie prąd kolektora (Ic=0) i na tranzystorze nie wydziela się moc P=Ic*UKE=0

Prąd kolektora (Ic) wzmacniacza mocy dla wzmacniaczy klasy A; B; C W klasie A przez tranzystor zawsze płynie prąd kolektora Ic przez cały okres T W klasie B prąd Ic płynie w dodatniej połowie okresu przez czas T/2 W klasie C prąd płynie przez czas t<T/2

Układ przeciwsobny (wykorzystywany we wzmacniaczach mocy W układzie przeciwsobnym dla napięć dodatnich pracuje górny tranzystor npn (klasa B) a dolny jest „zatkany”(nie przewodzi) Dla napięć ujemnych pracuje dolny tranzystor (klasa B) pnp a górny jest ”zatkany” (nie przewodzi) Przy zerowym napięciu wejściowym (U1=0) żaden tranzystor nie przewodzi i nie jest tracona moc!

Wzmacniacz mocy klasy D 1. Sygnał akustyczny jest zamieniany na ciąg impulsów o wysokiej częstotliwości z wypełnieniem zależnym od amplitudy sygnału akustycznego 2. Na wyjściu jest niskoczęstotliwościowy filtr LC który „odtwarza” sygnał akustyczny a „wycina” szybkie przełączanie

Tyrystor to jakby dioda sterowana impulsem napięcia Po przyłożeniu impulsu napięcia napięcie między bramką a katodą tyrystora tyrystor przewodzi aż do czasu kiedy napięcie między katoda a anodą spadnie lub gdy prąd zaniknie Triak, to rodzaj tyrystora przewodzącego w obu kierunkach

Przerzutnik Schmitta ma dwa stany na wyjściu: wysoki i niski Jeżeli na wejściu napięcie przekroczy pewien próg napięcia Ug stan na wyjściu zmienia się z niskiego na wysoki Jeżeli na wejściu napięcie jest poniżej progu napięcia Ug to tranzystor T1 jest „zatkany” i przez rezystor 10 kΩ płynie prąd do bazy T2 i tranzystor T2 jest w stanie nasycenia (napięcie UKE jest bliskie zera). Na oporności 100 Ω (czyli na obu emiterach) ustala się napięcie jak na dzielniku 1kΩ-100Ω czyli około 1/10 napięcia zasilania. Powrót do stanu niskiego następuje kiedy napięcie na wejściu spadnie poniżej Ud Ud<Ug Przekroczenia na wejściu napięcia Ug powoduje, że tranzystor T1 jest w stanie nasycenia a tranzystor T2 jest „zatkany”

Wzmacniacz różnicowy 1. Jeżeli na obu wejściach jest to samo napięcie to na wyjściu napięcie się nie zmienia 2. Jeżeli na wejściu 1 pojawi się napiecie U1 a na wejściu 2 napięcie U2 to wzmocnienie 𝐾 𝑢 = ∆𝑈 𝑤𝑦𝑗 𝑈 1 − 𝑈 2 = 𝑅 𝑐 2( 𝑅 𝑒 + 𝑟 𝐵𝐸 ) Wzmacniacz różnicowy stosuje się np. przy długich kablach doprowadzających napięcie do wejścia. Wówczas w długich kablach szum indukuje identyczne napięcie zakłócające, które nie jest wzmacniane we wzmacniaczu różnicowym. Przykładem jest tzw. „skrętka” przy sieciach komputerowych. W obu przewodach symetrycznej „skrętki” zakłócenia indukują identyczne (podobne) napięcia, które nie są wzmacniane we wzmacniaczu symetrycznym wzmacniaczu różnicowym.

Tranzystory polowe (FET- Field Effect Transistor) (unipolarne) Tranzystor bipolarny Tranzystor polowy K B E n p n W tranzystorze bipolarnym mały prąd baza-emiter (IB) wywoływał duży prąd kolektor-emiter (Ic) (β= 𝐼 𝑐 𝐼 𝐵 ) β- współczynnik wzmocnienia prądowego W tranzystorze polowym mamy trzy elektrody Dren (Drain; D); Bramka (Gate; G ); Źródło (Source; S); W tranzystorze polowym małe napięcie (pole elektryczne) bramka-źródło (G-S) powoduje zmianę oporu dren-źródło (D-S) Głowna różnica: tranzystorem bipolarnym steruje prąd tranzystorem polowym steruje napięcie Rysunki z książki Kutty, i z internetu

Zasada działania tranzystora polowego Najważniejszym parametrem tranzystorów polowych jest transkonduktancja 𝑔 𝑚 = 𝐼 𝐷 𝑈 𝐺 (odwrotność Ohma [simens]

Charakterystyki tranzystorów polowych typu p i typu n

Tranzystory polowe MOSFET (z izolowaną bramką) Skrót MOSFET pochodzi od Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor Typu p normalnie Załączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) płynie Typu n normalnie Załączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) płynie Typu p normalnie wyłączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) nie płynie Typu n normalnie wyłączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) nie płynie

Typy tranzystorów MOSFET i ich charakterystyki

Podstawowe układy z tranzystorami polowymi: wspólne źródło (WS); wspólny dren (WD); wspólna bramka (WG) Idea Wspólne źródło WS (odpowiednik wspólnego emitera) Wspólny dren WD (odpowiednik wspólnego kolektora) Wspólna bramka WG (odpowiednik wspólnej bazy) Układy praktyczne

Układy polaryzacji tranzystorów polowych (WS) Układ polaryzacji dodatkowym źródłem napięcia Układ automatycznej polaryzacji

Parametry układów wspólne źródło (WS) Ponieważ 𝑔 𝑚 = ∆ 𝐼 𝐷 ∆ 𝑈 𝐺𝑆 RD ∆𝑈 𝐷 =− ∆𝐼 𝐷 𝑅 𝐷 Wzmocnienie napięciowe: 𝐾 𝑢 = ∆ 𝑈 𝐷 ∆ 𝑈 𝐺𝑆 = 𝑔 𝑚 𝑅 𝐷 Opór wyjściowy liczymy tak samo jak we wzmacniaczu ze wspólnym emiterem, czyli opór równolegle połączonych RD oraz opory przejścia tranzystora (b. duzy): 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅 𝐷 Opór wejściowy 𝑅 𝑤𝑒𝑗 →∞ ponieważ praktycznie prąd bramka-źródło (IGS) nie płynie

Parametry układu ze wspólnym drenem (WD) Wzmocnienie napięciowe jest takie jak we wzmacniaczu ze wspólnym kolektorem (WK) 𝐾 𝑢 ≅1 Opór wejściowy 𝑅 𝑤𝑒𝑗 →∞ Opór wyjściowy mały Opór równolegle połączonych rezystorów RS oraz 1/gm i zwykle: 𝑅 𝑤𝑦𝑗 ≅ 1 𝑔 𝑚

Tranzystor polowy razem z tranzystorem bipolarnym Z ksiązki W.Hill „Sztuka…”

Porównanie wzmacniaczy ze wspólnym emiterem (WE) i ze wspólnym źródłem (WS) 1. Wzmocnienie: WE 𝐾 𝑢 =− 𝑅 𝑐 𝑟 𝑒 ≅−200 2. Wzmocnienie: WS 𝐾 𝑢 ≅− 1 𝑔 𝑚 ≅−10 3. Opór wyjściowy: WE 𝑅 𝑤𝑦𝑗 = 𝑅 𝑠 𝛽 ≅50Ω 4. Opór wyjściowy: WS 𝑅 𝑤𝑦𝑗 = 1 𝑔 𝑚 ≅500Ω 5. Opór wejściowy: zdecydowanie większy dla tranzystora polowego