1 / 53

Podstawy teorii przewodnictwa Diody Transystory (bipolarne, unipolarne)

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).

maude
Download Presentation

Podstawy teorii przewodnictwa Diody Transystory (bipolarne, unipolarne)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. 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

  4. _ + 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

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

  6. 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)

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

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

  9. 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

  10. 220 50 Hz 220 50 Hz Dioda jako prostownik prądu Prostownik Jedno-połówkowy Prostownik dwu-połówkowy

  11. 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 !

  12. Zasilacze Transformator prostownik Filtr Stabilizator Odb 220 V

  13. Prostownik mostkowy Vr Vp

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

  15. 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

  16. IC=IE+IB ICIE ICIB 1 Tran(sfer)(re)zystor bipolarny npn • 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

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

  18. 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

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

  20. 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

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

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

  23. Różnice pomiędzybacibDC IC IC ICQ Q DIC { Q IB IB { 0 IBQ 0 DIB bDC = ICQ/IBQ bac = DIC/DIB WielkościbDCibacsą na ogół różne i zależą od punktu Pracy tranzystora (Q).

  24. Konfiguracje wzmacniaczy: • Wspólny Emiter (WE) : emiter jest podłączonydo ziemi (V=0),Wejściejestpodane na bazę, Wyjściejest na kolektorze • Wspólny Kolektor (WK): kolektor jestuziemiony, Wejściejest podane na bazę, Wyjście jest naemiterze • Wspólna-Baza (WB):baza jest uziemiona, Wejście jest na emiterze, Wyjście na kolektorze

  25. 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

  26. Podstawowy wzmacniacz mało-sygnałowy ze Wspólnym Emiterem +VCC Ic ICQ Vb RC R1 VBQ C2 Ib Rs C1 IBQ VCEQ Vs RL RE R2 Vce C1i C2 blokują napięcie dc ale przepuszaczająsygnał ac .

  27. Wzmacniacz WE • Kondensatory C1i C2zapobiegająiż Rsi RLzmieniają wartość zasilania • Vspowodujeże Vbi Ibzmieniają się trochę copowodujeduże zmiany w Icz powodub • Jeżeli Iczwiększa się, Vceobniża się i vice versa • A więc, Vc (wyjście na RL) jest 180oprzesunięte w faziewzględem Vb

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

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

  30. Analiza AC wzmacniacza WE Rezystancje wejściowe i wyjściowe: RC Rin(tot) = R1//R2//Rin(baza) gdzieRin(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

  31. Stabilzacja wzmocnienia +VCC Bocznikując REzwiększamy wzmocnienieale układ jest niestabilny ponieważ re’ zależy od IEi temperatury RC C3 R1 C1 Wybierając RE1>10 re’, minimalizujemy wpływ re’ bez znacznej redukcji wzmocnienia R2 RE1 Av -Rc/RE1 C2 RE2 Rin(base) = bac(re’+RE1)

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

  33. Wzmocnienie prądowe (Ai) i wzmocnienie mocy (Ap) Ic Rs Ib Is Vs R1//R2 Rc Stosunek prądu bazy do kolektora jestbac Ale wzmocnienie prądoweAi = Ic/Isgdzie Wzmocnienie całkowite: Ap = Av’Ai

  34. 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

  35. 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- emiterowyponieważ Vout śledzi Vinw fazie i napięciu. R2 RE RL

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

  37. Porównaniewzmacniaczy WE, WK, WB

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

  39. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniaczy • Do tej pory zakładaliśmy że impedancja, XCkondensatorów sprzężeńi filtrówbyła=0 W. • Także pojemności złącz tranzystorów były zaniedbane. • Te pojemności jednakwpływająna wzmocnienie i przesunięcia fazowe w obszarze częstości sygnałów wejściowych.

  40. Ogólna funkcja transmisji Av (dB) 3 dB • Av (dB) = 20 log Av • Częstotliwość odcięciakrytyczne,jestczęstością dla Avspadającego o3 dB. To odpowiada 0.707Av(max)lub0.5Ap(max)mocy. 0 Obszar pasma f fcn fcw fcn = obcięcie w niskiej częst. fcw = obcięcie w wysokiej częst Wzmocnienie jest maks w obszarzepasma (0 dB).

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

  42. Obwódwyjściowy RCprzy niskiej częstości dla WE +VCC Częstość krytycznaobwodu RC : C3 RC Przesunięcie fazowe: RL Wpływobwodu wyjściowego RC na Av jest podobny do wejściowego RC . Av (dB) 0.1fc fc 0 f obniżenie Avdla każdego obwodu RC jest20 dB/decade Dla fc -3 -20

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

  44. Całkowita funkcja transmisji • fc1, fc2, i fc3sączęstościami krytycznymidla RC emitera,wyjścia, wejścia RC (w zależności od wielkości kolejności). • Układ RC z fc3jest zwany układem dominującym. fc1 fc2 fc3 f 0 -20 -20 dB/dec -40 -40 dB/dec -60 -80 -60 dB/dec -100 -120 Wykres Bodego dla niskiej częstości

  45. Wysokie częstości Cbc • dla dużych f, Cbepowodujeobniżenienapięciana dzielniku napięcia z RS. • Dla dużych, Cbcpowodujeujemne sprzężenienapięciowe i obniża napięcie wejściowe. • Avobniża się. Rs Cbe Vs Rc Cbci Cbesą wewnętrznymi pojemnościami złączowymi które wynoszą parę pF.

  46. Całkowita funkcja transmisji Av (dB) Av(mid) Pasmo przenoszenia = fcu - fcl 0 f fc1 fc2 fc3 fc4 fc5 fc3i fc4są dwoma dominującymi częstościamikrytycznymi Avjes 3 dB b. fc3jest dolnym obcięciem,fcl, i fc4jestgórnym obcięciem, fcu

  47. Pomiar zależności wzmocnienia od częstości Vin Vout Generator funkcyjny oscyloskop Av Test Procedura: • ustawićczęstośćw średnimobszarze (~kHz)i Voutna około1-2 V. Obniżaćczęstość aż do Vout = 0.707V abyotrzymać fcl. Zwiększać częstośćdo Vout = 0.707V abyotrzymać fcu. Szerokośc pasma wzmacniacza BW = fcu - fcl. Vinpowinno być stałe !

  48. Pomiar częstości krytycznych Wejscie • Używając poprzedniego zestawuzmierzyć czas narastania (tr) iczasopadania (tf) sygnału schodkowego. • fcu = 0.35/tr • fcl = 0.35/tf 90% Wyjście 10% tr Wejście 90% Wyjście 10% tf

  49. Połączenia kaskadowe wzmacniaczy Av1 Av2 Av3 Avn Vout Vin n wzmacniaczyw 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

  50. Parametry hybrydowe (h) • parametryh 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 opisującekonfigurację np:, hfe, hfc, hfb

More Related