BJT jako zesilovač malého signálu
Bipolární tranzistor BJT BJT - řízený proudový zdroj
IB okamžité zatěžovací charakteristiky směrnice – 1/RB
náhradní lineární obvod a jeho parametry vf model BJT
IC směrnice – 1/RC
zesilovače s BJT BJT - spínač
ic
ib čas
P0
čas
P0
UCC
UBB UBE uBE
uvst čas
BJT jako odporový dvojbran 1
2
U2
U1 1’
2’
IC IB
C
B
UBE
U1 = h1 (I1, U2 )
I2 = h2 (I1, U2 ) IC
IB B
UCE
čas
čas
C
UCE
UBE E
IB B
UBE = h1 (IB , UCE )
IC = h2 (IB , UCE )
UCE
E
E
UBE = h1 (IB , UCE )
ΔuBE = h11ΔiB + h12 ΔuCE
IC = h2 (IB , UCE )
ΔiC = h21ΔiB + h22 ΔuCE
E
BJT => řídící veličiny IB a UCE
IC C
UBE
ΔiB
E
zapojení SE !!
uCE
Linearizace charakteristik pro okolí P0 popsán dvojicí nelineárních časově neproměnných rovnic
I2
I1
UCE
B
ΔuBE E
ΔiC C
h11 =
∂UBE ∂IB
ΔuCE E
h21 =
∂IC ∂IB
h12 = P0
h22 = P0
∂UBE ∂UCE
P0
∂IC ∂UCE
P0
Linearizace charakteristik pro okolí P0 ΔiC
ΔiB B
ΔuBE = h11ΔiB + h12 ΔuCE
C
ΔuCE
ΔuBE E
Vstupní diferenciální odpor h11
ΔiC = h21ΔiB + h22 ΔuCE
E
ΔuCE =0
⎛ ΔuBE ⎞ ⎟⎟ h11 = ⎜⎜ ⎝ ΔiB ⎠P0
NLO pro změny veličin
ΔiB =0
ΔiB
⎛ ΔuBE ⎞ ⎟⎟ h12 = ⎜⎜ ⎝ ΔuCE ⎠P0
ΔiC
B
h11
ΔuBE
h12ΔuCE
C h21ΔiB
h22
ΔuCE =0
⎛ Δi ⎞ h21 = ⎜⎜ C ⎟⎟ ⎝ ΔiB ⎠P0
ΔuCE
ΔiB =0
⎛ ΔiC ⎞ ⎟⎟ h22 = ⎜⎜ ⎝ ΔuCE ⎠P0
E
E
Zpětný napěťový přenos h12 h12 =
∂UBE ∂UCE
h11 =
IB [μA]
bezrozměrný typické hodnoty 10-3-10-4 většinou lze zanedbat !!
100
Stanovit lze z poměru diferencí ΔuBE ku ΔuCE
UCE [V]
ΔiB =0
⎛ ΔuBE ⎞ ⎟⎟ h12 = ⎜⎜ ⎝ ΔuCE ⎠P0
0 0.1
80
ΔiB
IB [μA]
P0
odpor [Ω] – silně nelineární!! typické hodnoty 100 – 10k
100
80
60
40
20
0
400
UCE [V]
Stanovit lze z poměru diferencí ΔuBE ku ΔiB
500
0
ΔuCE =0
⎛ ΔuBE ⎞ ⎟⎟ h11 = ⎜⎜ ⎝ ΔiB ⎠P0
600
P0
0.1
ΔuBE
10
700
uCE=konst
680mV - 630mV h11 = 80 μA - 0 μA
UBE [mV] Vstupní charakteristika
h11 = 625 Ω
Proudový zesilovací činitel h21 (h21E) h21 =
P0
∂UBE ∂IB
iB=konst 60
40
20
0
400
500
P0
10
600
ΔuBE 0 700
poloha P0 se v závislosti na UCE téměř nemění
h12 ≅ 0 Vstupní charakteristika
∂IC ∂IB
uCE=konst
IC [mA]
P0
bezrozměrný typické hodnoty 10 – 1000 Stanovit lze z poměru diferencí ΔiC ku ΔiB ΔuCE =0
⎛ Δi ⎞ h21 = ⎜⎜ C ⎟⎟ ⎝ ΔiB ⎠P0
UBE [mV]
h21 =
180
30
15mA - 9mA 100 μA - 60 μA
h21 = 150
IB[μA]
160
25
140 120
20
ic2
100
ib2
15
ΔiC
ΔiB=iB2-iB1
10
ic1
60
ib1
40
5 0
80
P0
20 0
5
10
15
Výstupní charakteristika Diferenciální strmost gm gm = y 21 =
h21 h11 P
0
20
UCE [V]
Výstupní diferenciální vodivost h22 h22 =
∂IC ∂UCE
IC [mA]
P0
Stanovit lze z poměru diferencí ΔiC ku ΔuCE
140
ic2
kapacita přechodu BC ~ 0.1-1 pF
100
15
80
iB=konst
P0
10
60
ic1
1 ⎛ ΔiC ⎞ ⎟ = = ⎜⎜ ro ⎝ ΔuCE ⎟⎠P 0
odpor “neaktivní“ báze ~ 0.1Ω
120
20
ΔiC
IB[μA]
160
25
ΔiB =0
h22
180
30
vodivost [S] typické hodnoty 10 – 100μS
h22
BJT vysokofrekvenční model
40
5
20 0
0
5
13mA - 10mA = 15V - 0V
10
15
20
UCE [V]
h11 1/h22
ΔuCE
h22 = 200 μS
Zesilovač SE s BJT (odpor RE se neuplatňuje)
Zesilovač SE s BJT (odpor RE se uplatňuje)
UCC RC
R1
C1
UCC
Rin = R1 // R2 // h11 Rout =
R2
Au = −
1 // RC = ro // RC h22
RE
RC
R1
C2
C1 RZ
Δu1
h21/h11
kapacita přechodu EB (difůzní resp. blokovací) ~ 0.1-1 pF
Výstupní charakteristika
RZ
Δu2
Δu1
CE
1 h21 ⋅( //RC // RZ ) = − g m ⋅ (r0 //RC // RZ ) h11 h22
vstupní odpor dán h11 tranzistoru invertuje, relativne velký napěťový zisk závislý na parametrech tranzistoru relativně velký výstupní odpor
C2
R2
RE
Rin = R1 // R2 //( h11 + (h21 + 1)RE ) Rout =
1 // RC = ro // RC h22
Δu2
CE
Au ≈ −
RC RE
vstupní odpor se zvyšuje o (h21+1) RE invertuje, nižší napěťový zisk než SE, ale nezávisí na parametrech tranzistoru relativně velký výstupní odpor
Zesilovač SC s BJT
Zesilovač SB s BJT UCC
UDD
R1
C1
CB C2
Δu1
R2
R2
Δu2
h21R E ≈1 h21R E + h11
Au =
R out ≈ R E
Rin ≈ RE
E
1
Oba přechody polarizovány v propustném směru ⇒ UCE = UCESAT → 0,1 V.
(eV)
-1
Energie
-3
B
Proudové zesílení významně klesá.
+ + +
Pro stejný IC potřebujeme větší IB!!!
-2 -4
1
EMITOR
2 3 x (μm)
BÁZE
22
20
10
60
0
1
2 x μm
REŽIM NASYCENÍ
40 20
3
4
+5V
RC 0,2V
30 (V)
40
50
5V
RB
0,7V
15
IC (mA)
Koncentrace
10 10
60
10
24
18
20 UCE
12
elektrony díry
-3
m
IC (mA)
4
KOLEKTOR
26
10
IB (μA)
mezní přímka 0 OPN
-6
10
10
h21 (RC // R Z ) = g m (RC // R Z ) h11
C
-5
Proudové zesílení významně klesá.
0
Δu1
zanedbáno 1/h22
-
---
0
80
Δu2
Bipolární tranzistor – režim saturace
BJT jako spínač – režim saturace
100
Au =
RZ
malý vstupní odpor neinvertuje, napěťový zisk se blíží stupni SE relativně velký výstupní odpor výborné vf vlastnosti (malý vstupní odpor)
velký vstupní odpor napěťový zisk se blíží nebo je mensí než jedna relativně malý výstupní odpor
120
RE
R out ≈ R C
zanedbáno 1/h22
140
C2 C1
RZ
RE
Rin = R1 // R2 //( h11 + (h21 + 1)RE )
0
RC
R1
8 6
45
P
30
4
15
2 0 0.0
0.2
UCESAT
0.4 UCE
(V)
0.6
0.8
0 16
Bipolární tranzistor – režim saturace
BJT výstupní charakteristika v oblasti saturace
np
j n ∝ − Dn
⇒pro vypnutí tranzistoru je nutné bázi a přechod B-C zotavit od nadbytečného náboje ⇒ dlouhá doba vypnutí
dn dx
EMITOR
OPN
βF je vysoké
βF je nízké
Oba přechody polarizovány v propustném směru ⇒ báze a přechod B-C zaplaveny nosiči. x (μm) BÁZE
KOLEKTOR
elektrony díry
26
10 -3
náboj akumulovaný v bázi
m
aktivní
Koncentrace
saturace
sklon ~ 1/RCEsat
24
10
22
10
20
10
18
10
0
1
2 x μm
REŽIM NASYCENÍ nadbytečný náboj, který již kolektor není schopen extrahovat
5V
Rc=1k
IC = (Ucc – Ucesat) / RC = (12 – 0.2) / 1000 = = 11.8 mA
RB=? 0.7V
5V
1.
0,25V C 0,45V B
STTL LSTTL
E
Schottkyho dioda mezi B a C nedovolí pokles UBC pod 0,25V ⇒ přechod B-C se nemůže dostat do propustného směru ⇒ přechod B-C se nemůže příliš zaplavit
RB = [(5 - 0.7) / 0.0118] · 50 = 18 220 kΩ ⇒ 18k
spínací tranzistor konstruován na malé UCEsat
0,7V
Schottkyho desaturační dioda mezi B a C
0,7V
pokles v saturaci
RB
paralelní omezovač napětí na 0.25 V zabrání saturaci
Ucesat
h21E=100
RC
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
IC
IB
RB = URB/IB = (URB/IC) · h21e
+5V
18
Ucc=12 V RB= 0:
4
0,2V
tento náboj je nutné odstranit, aby tranzistor vypnul
Bipolární tranzistor jako spínač - příklad
3
19
20
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání tranzistoru v saturaci vnějším obvodem
Zrychlené vypínání tranzistoru v saturaci vnějším obvodem +12V
+12V
2.
2.
Rc
Rc špatně
Ucesat 5V
RB
R→∞
sepnuto
RB vypínání
náboj v bázi a na přechodu B-C vyklízen jen rekombinací = PŘÍLIŠ POMALÉ (> μs) 21
22
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání tranzistoru v saturaci vnějším obvodem +12V
Zrychlené vypínání tranzistoru v saturaci vnějším obvodem +Ucc
2.
2.
Rc
Rc
Ucesat 5V
RB
R→∞
RB
správně R
rozepnuto
sepnuto
23
báze se po vypnutí zbavuje náboje pomocí obvodu s rezistorem R nespoléháme jen na rekombinaci 24
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání vnějším obvodem se záporným předpětím
Zrychlené vypínání vnějším obvodem se záporným předpětím
+Ucc
3.
+5V
3.
Rc
+Ucc +5V
ON
Rc ON
OFF
RB
OFF
-5V
RB
-5V Dioda B-E je rychle zbavena náboje v procesu závěrného zotavení (pomáhá nám el. pole) ze zdroje -5 V. Typ. aplikace: vypínání výkonových tranzistorů
25
Bipolární tranzistor – opatření pro rychlé vypínání
Rekombinační centrum
Zrychlené vypínání zvýšením rekombinační rychlosti R v bázi přidáním rekombinačních center v přídavném technolog. kroku.
1. 2. +
snížení doby života τ nadbytečných nosičů náboje
τ=
Rc RB
Δn R
V praxi užívaná rekombinační centra: • po difúzi zlata nebo platiny • poruchy po elektronovém ozařování • poruchy po ozařování protony (H+) nebo alfa částicemi (He2+) 27
26
