Bipolární tranzistory

Transkript

1 Bipolární tranzistory h-parametry, základní zapojení, vysokofrekvenční vlastnosti, šumy, tranzistorový zesilovač, tranzistorový spínač

2 Bipolární tranzistory (bipolar transistor) tranzistor trojpól, zapojení jako dvojbran s jednou společnou svorkou dvojbran popis pomocí libovolné soustavy parametrů, existuje vzájemný přepočet lze popsat pomocí obvodových modelů idealizované prvky, simulace činnosti 2 typy modelů dvojbranové modely dvojbran s neznámou vnitřní strukturou modely založené na matematickém popisu fyzikálních veličin tranzistor + kapacity přechodů a pouzdra + indukčnosti přívodů + odpory

3 H-parametry (hybridní) (H-parameters) vznikly přímo pro tranzistory platí pro linearizovaný tranzistor jednotlivé prvky jsou tečny k charakteristikám v daném pracovním bodě u i 1 2 = h h h h i u 1 2 u i 2 1 = h = h i i h + h u u 2 2 i 1 nezávisle proměnná i 2 závisle proměnná

4 H-parametry h 11 [Ω] vstupní impedance h 22 [S] výstupní admitance h 21 [-] proudový zesilovací činitel (nejvyšší zesílení tranzistor pracuje do zkratu) h 12 [-] zpětný napěťový zesilovací činitel (popis zpětné vazby tranzistoru) h u = u i = 0 1 h u = i u = 0 2 h i = u i = 0 1 h i = i u = 0 2

5 Modely bipolárního tranzistoru (bipolar transistor models) nelineární modely Ebersův-Mollův model statický a dynamický Gummelův-Poonův model přesný, velký počet parametrů, součástí SPICE linearizované modely linearizovaný Ebersův-Mollův model linearizovaný model na principu dvojbranů

6 Modely bipolárního tranzistoru = u u y y y y i i = u i h h h h i u linearizované modely na základě dvojbranů H matice Y matice

7 Základní zapojení (basic circuits) 3 základní zapojení se společným emitorem (SE) se společným kolektorem (SC) se společnou bází (SB) každé zapojení má svoji H matici teoreticky 6 možných zapojení (záměna vstupu a výstupu) I + E = I I U = U + U C B CE CB BE

8 Zapojení se společným emitorem (SE) (circuit with common emitter) zesiluje proud zesiluje napětí zesiluje výkon u = U 1 BE i = I 1 B u = U 2 CE i = I 2 C U = 0,6 0, 7 V BE

9 Zapojení se společným emitorem (SE) nejčastější zapojení přechod BE propustný směr malý vstupní odpor (Ω kω) přechod CE závěrný směr velký výstupní odpor (kω) proudový zesilovací činitel výstupní signál fázově otočen o 180 vzhledem ke vstupnímu signálu výkonové zesílení dáno součinem napěťového a proudového zesílení (20 000)

10 Zapojení se společným kolektorem (SC) (circuit with common collector) zesiluje proud velký vstupní odpor (MΩ) malý výstupní odpor (Ω) u = U 1 BC i = I 1 B u = U 2 CE i = I 2 E

11 Zapojení se společným kolektorem (SC) žádné napěťové zesílení napětí na výstupu stejné jako na vstupu emitorový sledovač výkonové zesílení (500) výstupní napětí nezávislé na zatěžovacím odporu velký vstupní odpor součin zatěžovacího odporu s proudovým zesilovacím činitelem výstupní signál je ve fázi se vstupním

12 Zapojení se společnou bází (SB) (circuit with common base) zesiluje napětí (1000) malý vstupní odpor (Ω) velký výstupní odpor (MΩ) u = U 1 BE i = I 1 E u = U 2 CB i = I 2 C

13 Zapojení se společnou bází (SB) proudové zesílení < 1 výkonové zesílení (200) výstupní signál ve fázi se vstupním málo používané zapojení vysokofrekvenční obvody (vyšší mezní kmitočet)

14 Vysokofrekvenční vlastnosti (high frequency properties) doba zotavení jako u diod čas průletu bází určuje mezní frekvenci přechod BC uzavřen chová se jako kapacita nižší kapacita vyšší frekvence nelze tranzistor pro vysoké frekvence a vysoký výkon vysoký výkon vede na zvětšení plochy kolektorového přechodu zvýšení kapacity GaAs lepší vf vlastnosti 1 f < τ = RC τ

15 Mezní kmitočet (limiting frequency) pokles zesílení s rostoucím kmitočtem tranzientní kmitočet f T proudový zesilovací činitel β=1 maximální kmitočet f max jednotkový přenos výkonu f β = 1 2πR BE C BE f max = f 8πR T BE C BC

16 Šumy (signal noises) tepelný šum souvisí s fluktuací energie (rozdílná rychlost elektronů) výstřelkový šum souvisí s nerovnoměrným vstřikováním elektronů Jonsonův šum souvisí se změnou zesílení

17 Výkonové tranzistory (power transistors) 2 základní požadavky nelze oba najednou vysoké napětí U CE ( V) krátká vypínací doba t off ovládání výkonu v oblasti síťového napájení průrazné napětí přechodu BC musí převyšovat pracovní napětí kolektorová oblast s vysokým měrným odporem a tloušťkou nízké hodnoty proudového zes. činitele (10 100) poměrně velký proud do báze

18 Výkonové tranzistory (power transistors)

19 Darlingtonovo zapojení (Darlington circuit) snížení proudu do báze zvýšení proudového zesilovacího činitele vyšší napětí U CE větší výkonová ztráta pokles proudového zes. činitele s kolektorovým 2 3 proudem β i C i větší doba vypnutí t off C β = β β 1 2

20 Bipolární tranzistor jako zesilovač (bipolar transistor amplifier) nutné nastavení klidového pracovního bodu zavedení předpětí do báze 4 základní třídy zesilovačů (A, B, C, D) podle umístění pracovního bodu stabilizace pracovního bodu zavedení záporné zpětné vazby

21 Bipolární tranzistor jako zesilovač malé změny napětí na bázi kolísání klidového proudu vstupní signál na bázi se superponuje k nastavenému předpětí změna kolektorového proudu odpovídá změnám proudu báze tvar napětí se nelišší lišší se velikost napětí na výstupu

22 Bipolární tranzistor jako zesilovač

23 Grafické řešení zesilovače

24 Bipolární tranzistor jako zesilovač 4 základní nastavení zesilovače buzení malým a pomalým signálem buzení velkým a pomalým signálem buzení malým a rychlým signálem buzení velkým a rychlým signálem

25 Zkreslení signálu na výstupu zesilovače (signal distortion on amplifier output)

26 Bipolární tranzistor jako spínač (bipolar transistor switch) malý spotřeba energie ke spínání krátká doba sepnutí vysoký opakovací kmitočet malý ztrátový výkon 2 stavy sepnuto, rozepnuto oblast nasycení,aktivní a průrazu zapojení se společným emitorem (SE) I CE0 zbytkový proud při odpojené bázi I CB0 zbytkový proud při bázi spojené s emitorem

27 Bipolární tranzistor jako spínač sepnutý stav přechod CE otevřený (malý odpor) malý odpor + velký proud = úbytek napětí (saturační napětí) (0,2 1 V) vznik ztrátového výkonu během přepínání přeměna v teplo požadovaný malý odpor v sepnutém stavu požadovaný velký odpor v rozpojeném stavu požadovaný velký proudový zesilovací účinek minimální spínací a rozpínací doba

28 Bipolární tranzistor jako spínač t d doba zpoždění t r doba náběhu (rise time) t s doba přesahu (saturation time) t f doba sestupu (fall time) t on celková doba sepnutí t off celková doba vypnutí t on = t d + t r t r t = t + off t s doba potřebná k odčerpání přebytečných nosičů v bázi s t f

29 Bipolární tranzistor jako spínač I oblast nevodivého stavu I B =0 nevodivý stav, rezistor s velkým odporem II oblast aktivního zesílení (hranice I B =0 a U CB =0) lineární zesilovač III oblast nasycení (saturace) U CB =0 vodivý stav, rezistor s malým odporem nasycení nadbytek volných nosičů na bázi, nelze vyvolat další proudové zesílení

30 Značení bipolárních tranzistorů (bipolar transistor marking) tranzistory české výroby první písmeno A germaniové tranzistory BC 168 A B křemíkové tranzistory BC 168 B C germaniové tranzistory (Tesla) D křemíkové tranzistory (Tesla) BC 168 C druhé písmeno C nízkofrekvenční tranzistory D nízkofrekvenční výkonové tranzistory F vysokofrekvenční tranzistory L vysokofrekvenční výkonové tranzistory S spínací tranzistory U spínací výkonové tranzistory americké značení tranzistorů (2Nxxxx) japonské značení tranzistorů (2CAxxxx, 2SBxxxx, 2SCxxxx, 2SDxxxx, 2SJxxxx, 2SKxxxx) zesilovací činitel tranzistoru

31 Děkuji za pozornost