Bipolární tranzistory

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

Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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 Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

H-parametry (hybridní) (H-parameters)

vznikly přímo pro tranzistory platí pro linearizovaný tranzistor jednotlivé prvky jsou tečny k charakteristikám v daném pracovním bodě

u1   h11  i  = h  2   21

h12   i1  ⋅   h22  u2 

u1 = h11i1 + h12u2 i2 = h21i1 + h22u 2

i1 – nezávisle proměnná i2 – závisle proměnná Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

H-parametry

h11 [Ω] – vstupní impedance h22 [S] – výstupní admitance h21 [-] – proudový zesilovací činitel (nejvyšší zesílení – tranzistor pracuje do zkratu) h12 [-] – zpětný napěťový zesilovací činitel (popis zpětné vazby tranzistoru)

u1 h11 = i1 i2 h21 = i1

u2 =0

u2 =0

u1 h12 = u2 i2 h22 = u2

i1 = 0

i1 = 0


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


Modely bipolárního tranzistoru H matice

u1   h11  i  = h  2   21

h12   i1  ⋅   h22  u2 

linearizované modely na základě dvojbranů

Y matice

 i1   y11 i  =  y  2   21

y12   u1  ⋅   y22  u2  Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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 = IC + I B

U CE = U CB + U BE Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Zapojení se společným emitorem (SE) (circuit with common emitter) u1 = U BE zesiluje proud i1 = I B zesiluje napětí

zesiluje výkon

u2 = U CE i2 = I C U BE = 0,6 − 0,7 V Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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 10 – 1000 výstupní signál fázově otočen o 180°vzhledem ke vstupnímu signálu výkonové zesílení – dáno součinem napěťového a proudového zesílení (20 000) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Zapojení se společným kolektorem (SC) (circuit with common collector)

zesiluje proud velký vstupní odpor (MΩ) malý výstupní odpor (Ω)

u1 = U BC

i1 = I B u2 = U CE

i2 = I E Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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


Zapojení se společnou bází (SB) (circuit with common base)

zesiluje napětí (1000) malý vstupní odpor (Ω) velký výstupní odpor (MΩ)

u1 = U BE

i1 = I E

u2 = U CB

i2 = I C Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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)


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

f <

1

τ

τ = RC Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Mezní kmitočet (limiting frequency)

pokles zesílení s rostoucím kmitočtem tranzientní kmitočet fT – proudový zesilovací činitel β=1 maximální kmitočet fmax – jednotkový přenos výkonu

fβ =

1 2πRBE C BE

f max =

fT

8πRBE C BC


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


Výkonové tranzistory (power transistors)

2 základní požadavky – nelze oba najednou vysoké napětí UCE (400 – 1200 V) krátká vypínací doba toff 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


Výkonové tranzistory

(power transistors)


Darlingtonovo zapojení (Darlington circuit)

snížení proudu do báze zvýšení proudového zesilovacího činitele vyšší napětí UCE → větší výkonová ztráta pokles proudového zes. činitele s kolektorovým −2 −3 proudem β ≈ iC − iC větší doba vypnutí toff

β = β1 ⋅ β 2 Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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


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




Grafické řešení zesilovače



4 základní nastavení zesilovače

buzení malým a pomalým signálem buzení velkým a pomalým signálem buzení malým a rychlým signálem buzení velkým a rychlým signálem


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


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)

ICE0 – zbytkový proud při odpojené bázi ICB0 – zbytkový proud při bázi spojené s emitorem Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

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 Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)


td – doba zpoždění tr – doba náběhu (rise time) ts – doba přesahu (saturation time) tf – doba sestupu (fall time) ton – celková doba sepnutí toff – celková doba vypnutí

ton = t d + t r ≅ t r toff = t s + t f ts – doba potřebná k odčerpání přebytečných nosičů v bázi Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)


I –oblast nevodivého stavu IB=0 nevodivý stav, rezistor s velkým odporem II – oblast aktivního zesílení (hranice IB=0 a UCB=0) lineární zesilovač

III – oblast nasycení (saturace) UCB=0

vodivý stav, rezistor s malým odporem

nasycení – nadbytek volných nosičů na bázi, nelze vyvolat další proudové zesílení


Značení bipolárních tranzistorů (bipolar transistor marking)

tranzistory české výroby

první písmeno BC 168 A A – germaniové tranzistory B – křemíkové tranzistory BC 168 B C – germaniové tranzistory (Tesla) BC 168 C D – křemíkové tranzistory (Tesla) druhé písmeno zesilovací C – nízkofrekvenční tranzistory činitel D – nízkofrekvenční výkonové tranzistory tranzistoru 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) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Děkuji za pozornost


Bipolární tranzistory

Recommend Documents