Elektronika 1 4. Előadás Bipoláris tranzisztorok felépítése és karakterisztikái, alapkapcsolások, munkapont-beállítás Irodalom - Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, 1990 - U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1999 - Wersényi György: Híradástechnikai alkatrészek, 2004 - Borbély Gábor: Elektronika I, 2006 - Tony R. Kuphaldt: Lessons In Electric Circuits, Volume III – Semiconductors, 2009
Bipoláris tranzisztor
Bipoláris tranzisztorok áramköri jele és rétegrendje.
Előfeszítések normál aktív üzemmódban: Bipoláris tranzisztorok működési állapotai:
Felépítés
Elektronok mozgási iránya
Különálló tranzisztor
Integrált tranzisztor
Felépítés
Planáris npn tranzisztor szerkezete és adalékprofilja
Bipoláris tranzisztor működési elve
E
B
C
Előfeszítés normál aktív üzemmódhoz
Elektronok áramlási útvonala
Bipoláris tranzisztor működési elve
a) b) c) d)
rekombináció elektronos bázisáram záróréteget elözönlő elektronok a bázis-kollektor zárófeszültség felgyorsítja a zárórétegbe került elektronokat
Áramok bipoláris tranzisztorokban
Kis amplitúdójú váltakozó áramú jelek esetén:
Bipoláris tranzisztorok karakterisztikái transzfer karakterisztika
Bipoláris tranzisztorok modellje
Négypólus H-paraméterek (hibrid p) értelmezése.
Bipoláris tranzisztorok modellje
Bipoláris tranzisztor H-paraméteres (hibrid p) fizikai helyettesítő képe. rBB: bázis-hozzávezetési ellenállás (5…50 W) re: bázis-emitter dióda dinamikus ellenállása;
UT = 26 mV.
B, b: a bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező (kisteljesítményű tranzisztoroknál 50…500, nagy teljesítményű tranzisztoroknál 20…50);
m: feszültség-visszahatási tényező (modern eszközöknél elhanyagolhatóan kicsi); gm: meredekség (10…500 mS).
Tranzisztormodell paraméterei rövidzári bemeneti impedancia: (kW nagyságrendű)
üresjárati feszültségátvitel:
rövidzári áramátvitel:
üresjárati kimeneti admittancia:
10…100 mS
Bipoláris tranzisztorok munkapont-beállítása
Bázisosztó ellenállásokkal
Negatív soros áramvisszacsatolással
Negatív párhuzamos feszültségvisszacsatolással
Közös emitteres kapcsolás Váltakozó áramú szempontból az emitter a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: bázis és föld között. Kimenő jel: kollektor és föld között. Jelleg: invertáló erősítő.
Egyszerű npn tranzisztor-modellek: dióda-vezérelt ellenállás, illetve dióda-vezérelt áramforrás
Egyenáramú karakterisztika
Közös emitteres kapcsolás
” Audio-erősítő” bázis-előfeszítés nélkül
Bázis-előfeszítéssel (munkapont-beállítás) Közelítő kisjelű feszültségerősítés:
Közös emitteres kapcsolás
Közös emitteres erősítő fokozat és működési elve
Munkapont-beállítás
Kisjelű paraméterek
Bázis-emitter ellenállás, bemeneti ellenállás
Transzfer admittancia, meredekség (gm)
Kollektor-emitter ellenállás, kimeneti ellenállás
Ebers-Moll modell
Transzportmodell
Transzportáram:
Gummel-Poon modell
Gummel-Poon modell
az emitterdióda bázisárama a kollektordióda bázisárama az emitterdióda kúszóárama a kollektordióda kúszóárama kollektror-emitter transzportáram a szubsztrát-dióda árama bázis hozzávezetési ellenállás kollektor hozzávezetési ellenállás emitter hozzávezetési ellenállás az emitterdióda záróréteg-kapacitása a kollektordióda külső záróréteg-kapacitása a kollektordióda belső záróréteg-kapacitása a szubsztrát-dióda záróréteg-kapacitása az emitterdióda diffúziós kapacitása a kollektordióda diffúziós kapacitása
Early-hatás
B0(UBE) az UCE = 0 –hoz extrapolált egyenáramú áramerősítés.
Early-hatás. Magyarázata: az UBE és UBC feszültségek befolyásolják az effektív bázisréteg vastagságát és ezáltal a transzportáram (IT) nagyságát:
Az Early-feszültség:
a záróirányú telítési áram
Közös emitteres kapcsolás hidegített emitterellenállással Az alkalmazott frekvenciatartományon a kondenzátorok és a tápfeszültség-forrás rövidzárnak tekinthetők. Cbe: bemeneti csatoló kondenzátor; Cki: kimeneti csatoló kondenzátor; Ce: hidegítő kondenzátor. A hidegítés miatt az Re negatív áram-visszacsatolása csak egyenáramú szempontból érvényesül. Terhelőellenállás: Feszültségerősítés:
Áramerősítés:
szobahőmérsékleten
UT = 26 mV
Közös emitteres kapcsolás nem hidegített emitterellenállással RE negatív áram-visszacsatolása váltakozó-áramú szempontból is érvényesül.
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás Váltakozó áramú szempontból a kollektor (a tápfeszültség-forráson át) a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: bázis és föld között. Kimenő jel: emitter és föld között. Jelleg: neminvertáló áramerősítő. A kimeneti feszültség követi a bemeneti feszültség értékét, levonva a bázis-emitter dióda állandó nyitófeszültségét.
Egyenáramú karakterisztika
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás
Emitterkövető erősítő bázis-előfeszítéssel (munkapont-beállítás) Áramerősítés:
b: a tranzisztor kisjelű áramerősítési tényezője.
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás
Közös bázisú kapcsolás A bázis a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: emitter és föld között. Kimenő jel: kollektor és föld között. Jelleg: neminvertáló feszültségerősítő. Egyenáramú karakterisztika
Kis amplitúdójú váltakozó áramú jelek esetén:
Közös bázisú kapcsolás
Miller-elv
Kaszkód kapcsolású erősítő Nagyfrekvenciás alkalmazásoknál bír jelentőséggel: - a földelt emitteres erősítőnek kisebb a sávszélessége a Miller-elv miatt megnövekedett hatású kollektor-bázis kapacitás miatt; - a földelt bázisú erősítőnek alacsonyabb a bemeneti impedanciája (pár tíz W).
Földelt bázisú
Földelt emitteres
Kaszkód
A földelt emitteres fokozat terhelő ellenállása a földelt bázisú fokozat bemeneti ellenállásával egyenlő (1 mA emitteráramnál 26 W), így feszültségerősítése közel 1. A földelt bázisú fokozat biztosítja a feszültségerősítést. A kapcsolás a földelt emitteres fokozat közepesen nagy bemeneti ellenállásával rendelkezik.
Kaszkód kapcsolású erősítő
Kaszkód
Jelalakok
Közös emitteres
Bode diagramok
Kaszkód kapcsolású A osztályú RF erősítő
