Elektronika I Dr. Istók Róbert II. előadás
Tranzisztor működése • n-p-n tranzisztor feszültségmentes állapotban • p-n átmeneteknél kiürített réteg jön létre
Az emitter-bázis réteg között kialakult
diódát „emitterdiódának”, a kollektor-bázis réteg közötti diódát „kollektordiódának” nevezik.
n-p-n tranzisztor előfeszített állapotban I • emitterdiódája nyitó irányban, kollektordiódája záró irányban legyen előfeszítve • bázisra az emitterhez képest nyitó irányú feszültség kapcsolunk • emitter-bázis átmenetnél a kiürített réteg és a potenciálgát megszűnik • határrétegen a többségi töltéshordozók áthaladnak • bázisrétegbe jutott elektronok, ott kisebbségi töltéshordozók. • kollektordióda záró irányban van előfeszítve. • bázis-kollektor határrétegnél kiürített réteg és potenciálgát alakul ki • potenciálgát megakadályozza a többségi töltéshordozók átjutását • az ellentétes töltésű, kisebbségi töltéshordozóknak a határrétegen való áthaladását segíti,
n-p-n tranzisztor előfeszített állapotban II • Bázisréteg keskeny (kisebb, mint 25 μm) bázis-kollektor határrétegen kialakult potenciálgát a bázisba érkezett elektronoknak nagy részét (95-99,9 %át) „szippantsa át” a kollektorba. • Az emitterből érkező elektronok (emitteráram) döntő hányada a
kollektoron távozik (kollektoráram), és csak a bázisban rekombinálódott kis része adja a bázisáramot.
𝐼𝐶 α= 𝐼𝐸
α-áramátviteli tényező (0,95...0,999 )
n-p-n tranzisztor előfeszített állapotban III • Az áram a nyitóirányban előfeszített, kis ellenállású emitter-bázis diódán folyik be a tranzisztorba, és (nagyjából ugyanez az áram) a záró irányban
előfeszített, nagy ellenállású kollektorbázis diódán távozik. P = I2 R • Kollektordióda nagyobb teljesítményt ad le, mint amennyit az emitterdióda felvesz, • Tranzisztor teljesítményt erősít → tranzisztorhatás. • A teljesítménykülönbséget a kollektorfeszültséget szolgáltató energiaforrás
.
fedezi
A bipoláris tranzisztor áramviszonyai, áramerősítés 𝐼𝐶 α= 𝐼𝐸
Β – áramerősítési tényező
Bipoláris tranzisztor karakterisztikái
Emitter földelve Bemenet a bázisra Kimenet a kollektorra
A tranzisztor működési tartományai • Tranzisztor passzív eszköz, energiát nem tud termelni, csak fogyasztani.
• második és negyedik síknegyedében a tranzisztor nem működhet. • Tranzisztor normál működési tartománya az első síknegyedben van 𝑢𝐵𝐸 >0; 𝑢𝐶𝐵 <0 • Tranzisztor mindkét p-n átmenete kinyit, akkor telítési tartományról beszélünk 𝑢𝐵𝐸 >0; 𝑢𝐶𝐵 >0 Az inverz működési tartományban a tranzisztor bázis-kollektor diódája nyitó, az bázis-emitter diódája záró irányban van előfeszítve 𝑢𝐵𝐸 <0; 𝑢𝐶𝐵 >0
Négypólus H paraméterek
i1-et, vagy u2 nullává téve kifejezzük az adott H paramétert
Négypólus H paraméteres helyettesítő képe
Bipoláris tranzisztor fizikai helyettesítő képe
Hibrid vagy Giacolleto-modell
Helyettesítő képben alkalmazott paraméterek jelentése 𝑟𝐵𝐵′ –bázis-hozzávezetési ellenállás értéke 5-50Ω. Nagy frekvenciás áramkörökben zavaró - minél kisebbre választani
𝑟𝑒 –bázis emitter dióda dinamikus ellenállása. Értékét a termikus feszültség ismeretében az emitteráramból határozhatjuk meg 𝑈𝑇 termikus feszültség B, illetve β - a bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező. Értéke a tranzisztorok felhasználási területétől függően változik. •
Kisfrekvenciás, kisteljesítménű (100mA) 50-500
•
Kisfrekvenciás, nagyteljesítménű (több A) 20-50
•
Nagyfrekvenciás (tranzit határfrekvencia legalább 1GHz) 50-100
•
Szuper β tranzisztorok 1000-5000
Helyettesítő képben alkalmazott paraméterek jelentése μ - feszültség-visszahatási tényező. Arra utal, hogy a kollektor-emitter feszültség változása milyen mértékben hat vissza a bázis-emitter dióda
feszültségére. Értéke 10-4 - 10-5 közé esik. Integrált áramkörökben lévő bipoláris tranzisztorok esetén megközelítheti a 10-6-os értéket is. 𝑔𝑚 - meredekség. Azt mutatja meg, hogy a bázis-emitter feszültség változása milyen mértékben változtatja meg a kollektoráramot. Nagyságrendileg 10-500 mS körüli értéke van, mely azonban a munkaponti adatok függvénye
ℎ11 paraméter
Értéke kΩ-os nagyságrendű.
ℎ11 paraméter
ℎ12 paraméter μ - feszültség-visszahatási tényező
Értéke kΩ-os nagyságrendű.
ℎ12 paraméter μ - feszültségvisszahatási tényező
ℎ21 paraméter
ℎ21 paraméter
ℎ22 paraméter
ℎ22 paraméter
Térvezérlésű tranzisztorok
Bemenő áramuk közel 0 Kis teljesítményigény Kis helyigény A többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést→kisebb hőmérsékletfüggés Szimmetrikus eszközök, a kapcsok felcserélhetőek – unipoláris tranzisztor
Feszültséggel vezérelhető ellenállás
• A vezérlő elektródára kis zárófeszültséget kapcsolva, a kiürített réteg szélessége megnő, a csatorna keresztmetszete csökken, ezért ellenállása megnő. • A vezérlő elektródára kapcsolt zárófeszültséget növelve a kiürített réteg egyre szélesedik, és egy, az eszközre jellemző Up vezérlő feszültségnél már a csatorna teljes keresztmetszetét elzárja. Ekkor „A” és „B” pont között nem folyhat áram, az ellenállás gyakorlatilag végtelen (a csatorna elzáródott).
Záróréteges j-FET n csatornás (field effect transistor)
A source és drain elektródák közötti többségi töltéshordozó áramot a gate elektródára
kapcsolt feszültséggel tudjuk változtatni azáltal, hogy változtatjuk a záróirányba előfeszített pn átmenet feszültséget→változik a kiürített réteg vastagsága→ az áramvezetésre alkalmas csatorna keresztmetszete. Legfontosabb paraméter 𝑉𝑝 elzáródási feszültség ( amikor a kiürített réteg teljesen elzárja a csatornát)
J-FET Karakterisztikák
Kiürítéses MOSFET n-csatornás (szigetelt vezérlőelektródajú térvezérlésű tranzisztor) • n típusú sziliciumréteg erősen szennyezett • n csatorna vékony és gyengén szennyezet • A gate-ra negatív feszültséget kapcsolunk, az elektromos tér, a n csatornából az elektronokat taszítja, kikinszeriti a csatarnaból. • Ha a negatív feszültség eléri a lezárófeszültséget 𝑈𝑝 a csatorna teljesen kiürül, lezáródik és rajta az áram nem folyik
Kiürítéses MOS FET karakterisztikái
Pozitív vezérlő feszültség esetén is működőképes marad a tranzisztor Pozitív feszültség növeli a töltés hordozók számát a csatornában
Növekményes MOS FET n csatornás (szigetelt vezérlőelektródajú térvezérlésű tranzisztor)
• Két erősen szennyezet n típusú üreg , n csatorna nincs • Gate-ra pozitív feszültséget kapcsolunk . Az erőtér taszítja a lyukakat és vonzza az elektronokat. • Kis pozitív gate feszültség először a p típusú szubsztrát gate alatti részéből távoznak a lyukak, és kiürített réteg alakul ki. Gatefeszültség növeléssel az elektromos tér source üregből elektronokat vonz és létrehozza a csatornát
Növekményes MOS FET karakterisztikái
• Uk küszöbfeszültség(2-4V) ahol a csatorna létrejön A MOS-FET-ek előnyös tulajdonsága a JFET-hez képest, hogy míg utóbbi gate-jén folyik valamennyi záróáram, a MOS FET gate-je el van szigetelve, tehát az tökéletes szakadásként viselkedik
FET helyettesítő kép 𝑔𝑚 meredekség, kisebb mint bipoláris tranzisztor esetén
• Átlagos j-FET esetén ez kb. 1-2 mS. • A MOSFET-ek meredeksége 25 mS körül alakul • Teljesítmény V- MOSFET-ek mellett ez az érték akár 100-1000 mS is lehet. 𝑔𝐷𝑆 a drain és a source között fellépő vezetés. Nagyságrendileg megegyezik a bipoláris tranzisztorok h22 paraméterével.
FET-ek esetén a nagyon kicsi bementi áram miatt a H paraméteres helyettesítő kép alkalmazása értelmetlen.
Tranzisztor munkapontja Kritériumok munkapont választásához: • A bemeneti jel maximális értékének hatására a munkapont meg az átviteli karakterisztika lineáris szakaszán helyezkedjen el. • Működés során a tranzisztor jellemző értékei ne haladják meg a gyártok által előirt határértékeket. • Biztosítani kell a tranzisztor stabil működését akkor is, ha pl. változások következnek be a környezeti hőmérsékletben, a tápfeszültségben.
• A tranzisztor zajtényezője az előirt értéken belül kell, hogy maradjon.
Bipoláris tranzisztorok üzemmódjai
• (I.) nemlineáris tartomány - elektronikus kapcsoló • (II.) lineáris tartományt - erősítő. • lineáris működésű: a tranzisztoron folyó áram egyenesen arányos a vezérlőjel megváltozásával, • nemlineáris működésű: a tranzisztoron folyó áram nem egyenesen arányos a vezérlőjel időbeni lefolyásával.
Sztatikus és dinamikus üzemmód definiálása • Sztatikusnak nevezzük azt az üzemmódot, amelyben a tranzisztor a vezérlés hatására csak a kimeneti áramát változtatja meg, miközben a
kimeneti feszültség állandó marad. Ilyenkor a kollektorellenállás értéke nulla. • Dinamikusnak nevezzük azt az üzemmódot, amelyben a tranzisztor a
vezérlés hatására csak a kimeneti feszültségét változtatja meg. Ez az eset olyankor áll fenn, amikor a kimeneti körbe ellenállást kötünk.
Tranzisztor vezérlése sztatikuson • A tranzisztor munkapontját úgy tudjuk beállítani, hogy meghatározott egyenfeszültségeket kapcsolunk a kimeneti és bemeneti kapcsokra.
• A munkapont nagymértékben függ a bemeneti és kimeneti áramkörre előírt jelek váltakozó feszültségének és áramának nagyságától. • A osztályú beállítás: -− a munkapont a karakterisztika lineáris szakaszán van elhelyezve 𝑀𝐴 és vezérlés alatt a lineáris szakaszon mozog. A kimeneti áram időbeli lefolyása azonos a vezérlő jel időbeli lefolyásával. A tranzisztor működése lineárisnak tekinthető. • B osztályú beállítás: - a munkapont− 𝑀𝐵 a jelleggörbe lezárási pontjában van. A tranzisztoron a vezérlőjelnek csak az egyik fél periódusában folyik áram.
Munkapont beállítások • AB osztályú beállítás: - a munkapont− 𝑀𝐴𝐵 az A- és B osztályú beállításnak megfelelő két munkapont között helyezkedik el. A tranzisztoron a fél periódusidőnél hosszabb ideig folyik áram vezérlés esetén. • C osztályú beállítás: - a munkapont− 𝑀𝐶 a jelleggörbe zárási szakaszán helyezkedik el. Kimeneti áram a fél periódusidőnél rövidebb ideig folyik, az áram impulzusszerű. Az AB, B és C osztályban az áram nem szinuszos lefolyású, alapharmónikusokból és felharmónikusokból áll.
Kisteljesítményű erősítő kapcsolások esetén általában A osztályú munkapont-beállítást alkalmazunk.
Bipoláris tranzisztor dinamikus üzemmódja Ha a tranzisztorra terhelést kapcsolunk, ami legyen egy ellenállás, akkor az ellenálláson eső feszültség a vezérlés ütemében változik.
Kis és nagyjelű üzemmód • Kisjelű üzemmód: a fellépő váltakozó áramok és− feszültségek sokkal kisebbek, mint az egyenfeszültség és egyenáram értékek. • Nagyjelű− üzemmód: a fellépő váltakozó- és egyen mennyiségek értékei azonos nagyságrendben vannak. • A kisjelű üzemmód feltételei lehetővé teszik, hogy a tranzisztor bemeneti és kimeneti villamos paramétereit lineáris összefüggések kössék össze • Nagyjelű üzemmód esetén a tranzisztor a vezérlés során a nemlineáris tartományban is üzemel.
Munkapont beállítás bázisköri feszültségosztóval (I) • Cbe és Cki kondenzátor egyenáramú szempontból leválasztja a kimenetet és a bemenetet.Váltakozó feszültség-csatolást végez a működési− tartományban. • A bemeneti feszültségosztót úgy kell méretezni, hogy egy terheletlen feszültségosztóhoz hasonlóan működjön
Munkapont beállítás bázisköri feszültségosztóval (II) A feszültségosztó állandó 𝑈𝐵0 bázis-feszültséget szolgáltat, a bázisáram változásaitól függetlenül.
A kapcsolás munkaellenállása, azaz a kimeneti kör ellenállása: 𝑅𝐸 + 𝑅𝐶
Munkapont beállítás bázisköri feszültségosztóval (III)
Az emitterellenállás szerepe kettős: • A kapcsolás bemeneti ellenállása R1- és R2-től is függ. Fontos, hogy ezek ne legyenek kis értékűek. Az 𝑅𝐸 -n eső feszültség nagyobb 𝑈𝐵 érték beállítását teszi lehetővé, így R2 is nagyobb lehet, mint 𝑅𝐸 nélkül. • 𝑅𝐸 stabilizálja a munkapontot a hőmérsékletváltozás ellenében. Ha nő a hőmérséklet 𝐼𝐵 is megnő. A kollektoráram ettől B-szeresen megváltozik, ezért 𝐼𝐸 is megnő. Ez megnöveli az emitterfeszültséget. Mivel a bázisosztó miatt 𝑈𝐵 közel állandó, és 𝑈𝐵𝐸 = 𝑈𝐵 − 𝑈𝐸 , 𝑈𝐵𝐸 csökken, ami 𝐼𝐵 -t is csökkenti. Vagyis a hőmérséklet hatására 𝐼𝐵 nem tud megnőni. Ez negatív visszacsatolás, ami a munkapont hőmérsékleti eltolódása ellen hat. • 𝐶𝐸 szerepe: váltakozóáramú szempontból rövidre zárja 𝑅𝐸 -t,
.
vagyis az emitter váltakozóáramúlag földön van
Munkapont beállítás bázisárammal
Kapcsolás hátránya, hogy a B egyenáramú áramerősítési tényező gyártási szórása nagyon nagy és tényleges értéke a munkaponti kollektoráramot jelentősen befolyásolja. Ugyanakkor nem biztosít olyan stabilitást, mint a feszültség osztó kapcsolás, mivel nem tartja olyan állandó szinten a bázisfeszültséget.
A térvezérléső tranzisztorok munkapont beállítása • A térvezérléső tranzisztorok leggyakoribb felhasználási területe a digitális technika.
• A FET-ek elsősorban integrált áramkörökben találhatók meg, amelyekben a munkapont beállítása gyárilag történik meg.
• A térvezérlésű tranzisztorokat diszkrét áramköri elemként általában kisjelű tartományban, nagyfrekvenciás erősítőkben használjuk, mivel a határfrekvenciájuk nagy és a kapacitásaik kis értékűek.
Munkapont beállítás gateköri feszültségosztóval (I) A feszültségosztós megoldásban a terheletlenség biztosításához a feszültségosztót alkotó ellenállásoknak nagy értékűeknek kell lenniük
A bemeneti feszültségosztó R1 és R2 , valamint a Source-ellenállásos megoldás R1 ellenállás értékeinek felső határát a gate-visszáram okozta feszültségesés határozza meg. Ez csak sokkal kisebb lehet, mint az 𝑈𝐺𝑆0 értéke. A gyakorlatban ezeknek az ellenállásoknak a maximális értékei MΩ nagyságrendűek.
Munkapont beállítás gateköri feszültségosztóval (II)
Munkapont beállítás gateköri feszültségosztóval (III) A gate-osztó értéke: az ellenállásokat minél nagyobbra kell választani, mert ettől függ a kapcsolás bemeneti ellenállása, tehát 𝐼𝑜 értéke kicsi.
JFET-nél 𝑈𝐺𝑆0 negatív, ezért ennél a munkapont beállításnál 𝑈𝐺0 > 𝑈𝑆0 . A gate-osztós munkapont beállítás elsősorban növekményes MOS-FET-eknél alkalmazzák, mert ezeknél 𝑈𝐺𝑆0 pozitív.
Munkapont beállítás source-ellenállással A gate-ellenálláson nem folyik áram, mert 𝐼𝐺 = 0. Feladata, hogy a gate- potenciált 0 V-on tartsa. Értékét minél nagyobbra választják, azért, hogy a bemeneti ellenállás is nagy legyen. Azonban ha túl nagy az ellenállás értéke, akkor a rajta keletkezett zaj is nagy. Ezért 𝑅𝐺 maximum 1 MΩ.
N-csatornás JFET átviteli karakterisztikája
Irodalomjegyzék
Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, 2006. 201 p. [elektronikus jegyzet (pdf) U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992
