F1301 Bevezetés az elektronikába Bipoláris tranzisztorok

DE, Kísérleti Fizika Tanszék

F1301 Bevezetés az elektronikába

Bipoláris tranzisztorok

F1301 Bev. az elektronikába


BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK Aktív, háromkivezetéses, két PN átmeneti réteggel rendelkező félvezető 1947.dec.23, Lucent Technologies, Bell Labs Innovations. Walter Brattain, John Bardeen és William Shocklby erősítőhatást tapasztalt egy két PN átmenetes Ge félvezetőben. Ezzel a később Nobel-díjjal jutalmazott felfedezéssel megnyitották az utat a tranzisztoros áramkörök, majd a mikroelektronika fejlődése előtt.



+ Bipoláris tranzisztor felépítése: E P 3 szennyezett réteg: P-N-P vagy N-P-N 3 kivezetés: Emitter (E), Bázis (B), Kollektor (C) A két szélső réteg (≈10x) erősebben szennyezett és jóval (≈150x) szélesebb, mint a középső, gyengén + E N szennyezett, vékony (≈10μm) bázis réteg. 10μm < kisebbségi töltéshordozók szabad úthossza ⇒ a két PN átmenet nem tud egymástól függetlenül működni!

Rajzjel:

C

B

C

B

E

E

pnp

B

npn

C E

B

C E

N-

P

C

B P-

N

B

C



Tranzisztorok tokozása:

TO-92

TO-5 TO-18 TO-220

TO-3P

TO-66

TO-3



Bipoláris tranzisztor működése: NPN tranzisztor: (PNP tranzisztornál a feszültségek és az áramok fordítottak) Az emitter-bázis PN átmenetet nyitóirányba, a bázis-kollektor PN átmenetet záróirányba kell előfeszíteni. N+ PN Az E és a B között nagy az e- és a lyuk C E koncentráció különbség. Ha az E-B átmenet nyitóirányba van előfeszítve ⇒ az emitterből nagyszámú elektron lép át B a bázisba (IE) - +

UBE≠0 N+

P-

N

C

E B -

+

UC B≠0

Ha a C-B átmenet záróírányba van előfeszítve ⇒ csak a kisebbségi töltéshordozótól származó visszáram folyik az átmeneten (IC B0)



NPN tranzisztor: Az emitter-bázis PN átmenetet nyitóirányba, a bázis-kollektor PN átmenetet záróirányba egyszerre előfeszítve: Az emitterből a vékony bázisba injektált e--ok, P N C E N ott már mint kisebbségi töltéshordozók, diffúzióval belekerülnek a C-B átmeneti IE IC IC B0 rétegbe, ahol a záróirányú elektromos tér B I B a kollektorba hajtja őket. - + - + UBE

<

UC B

I E = I B + IC

[μA ] I C[mA] = A ⋅ I E + I CB 0

Mivel a bázis vékony és gyengén szennyezett ⇒ kicsi a rekombináció valószínűsége ⇒ kicsi az IB ⇒ az elektronok döntő többsége az emitterből a kollektorba kerül IB << IE≈IC A B = 20–400 I ≈ I = B ⋅ I IC ≈ A ⋅ I E = A ⋅ I B + A ⋅ IC C B B áramerősítési tényező 1− A A gyengébben szennyezett bázis és kollektor viszonylag széles átmeneti rétegére viszonylag magas (~10V) feszültség is adható. Az UBE nyitóirányó feszültséggel tág határok között változtatható az IE és így az IC . Az első (EB) átmenet árama hat a másik (BC) átmenet áramára →tranzisztorhatás



Si NPN tranzisztor jelleggörbéi:

rBE =

β=

ΔU BE ΔI B

differenciális áramerősítési tényező

differenciális bemeneti ellenállás

B=

IC

dI C dI B

IC IB

rCE =

ΔU CE ΔI C



Bipoláris tranzisztor erősítő hatása: A kollektor körben Ut = 10V és elhelyezve pl. egy RC=200Ω -os terhelőellenállást: N

E

P

N

C

IE

Ha UBE=670mV ⇒ IE≈10mA és IB≈50μA .

IC -

+

B I B

UBE

-

+

RC

UR=Ut-UCB

B=

IC IB

I E = I B + IC

Mivel IB << IE ⇒ IE≈IC és így UR= ICRC≈ 2 V

Ut

β=

dI C dI B

Ha UBE=690mV ⇒ IE≈20mA és IB≈100μA és így UR= ICRC≈ 4 V lesz.

⇒ ΔUCB= -ΔUR . A fenti példában ΔUBE=690mV-670mV=20mV és ΔUCB= -ΔUR = - 2V . Mivel UCB= Ut - UR

Az UBE nyitóirányó feszültséggel tág határok között változtatható az IE és vele együtt az IC és így az UCB .



A kollektor-emitter (CE) szakasz ellenállását az UBE és az IB határozza meg.

rCE =

B

C E

ΔU CE ΔI C



Bipoláris tranzisztor alapkapcsolásai:

+Ut

+Ut E C

UEB<0

B

B

UC B

UBE>0

C E

-Ut

B

UCE

UBC<0

E C

UEC

Közös bázisú kapcs.

Közös emitteres kapcs.

Közös kollektorú kapcs.

jó feszültségerősítés

jó fesz. és áramerősítés

nincs feszültségerősítés

nincs áramerősítés

(erősítők)

jó áramerősítés

Leggyakrabban ezt alkalmazzák!

(impedancia illesztőfokozat)

Ut-UEC

Ut-UBC>0 B

E C

+Ut



Tranzisztor műszaki adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján)

Differenciális bemeneti ellenállás:

rBE

Differenciális kimeneti ellenállás:

rCE

Egyenáramú erősítési tényező:

B

Differenciális áramerősítési tényező: β

ΔU BE ΔI B ΔU CE rCE = ΔI C I B= C IB dI β= C dI B

rBE =

ICES (bázis-emitter összekötve!) ICES (nyitott emitter!) Kollektor-bázis maradékáram: Kollektor-emitter átütési feszültség: U(BR)CEO Emitter-bázis átütési feszültség: U(BR)EBO Kollektor-bázis zárórétegkapacitás: CCBO (adott UCB -nél) Emitter-bázis zárórétegkapacitás: CEBO (adott UEB -nél) Határfrekvencia: fβ=1 Kollektor-emitter maradékáram:

… egyéb határadatok



Emitterkapcsolású erősítőfokozat munkapont beállítással:

+Ut C1

Ube

RC

RB

T = BC107 Ut=+12 V

C2

RC=1kΩ

T

UCE

UBE

IB 100 μA

RB=180kΩ (bázis előfeszítés)

Uki

C1=1μF, C2=10μF (be- és kimenet egyenfesz. leválasztás)

IC

IC

10 mA

10 mA

t 50 μA

UCE

12 V

t 5 mA

5 mA 6V

0.67 V

UCE = Ut - ICRC

60μA

UBE

IB

t

t t



Feszültségdiagramok:

+Ut

U C1

UCE

6V

Ube

RC

RB

T

UCE

UBE

Uki0 Ube0

t

C1

Ube Uki

Ube

Ube = Ube0˙ sin(ωt)

R1

RC

C2

T R2

UBE

UCE

Uki = -Uki0˙ sin(ωt) feszültségerősítés:

AU =

U ki 0 U be 0

Uki

+Ut

UBE

0.6 V

C2

(áramerősítés:

AI =

I ki 0 I be 0

)

Uki



Emitterkapcsolású erősítőfokozat munkapont stabilizálása:

+Ut C1

Ube UB

RC R1 T

UBE

R2 RE

UB = UBE + UE

C2

UCE

Uki

U E = IE R E

UB = UBE + IERE

CE

Ha RE (,CE) ⇒ munkapont stabilizálás: RE beiktatásával csökken a hőmérsékletemelkedés miatt fellépő a munkapont eltolódás: - A tranzisztoron átfolyó áram hatására növekszik a tranzisztor hőmérséklete ⇒

IB növekszik (ΔIB ) ⇒ IC is növekszik (ΔIC = βΔIB ) és mivel ΔIE ≈ ΔIC ⇒ ⇒ ΔUE = ΔICRE . Ha eközben UB állandó ⇒ ΔUBE= -ΔUE , vagyis állandó bázisfeszültségnél a növekvő hőmérséklet RE segítségével UBE csökkenését okozza, ami így IB –t csökkenti ⇒ visszaszabályozás - CE ⇒ nagyfrekvenciás kompenzálás



Bemeneti és kimeneti jelleggörbe, munkaegyenes: IC

rCE =

ΔU CE ΔI C

Ut/RC

Ut A kollektor-emitter (CE) szakasz ellenállását az UBE és az IB határozza meg.



Tranzisztorok működési tartománya erősítőfokozatokban:

PC = U CB I C



Erősítő osztályok: A – osztályú IC

B – osztályú

10 mA

AB – osztályú

IC

IC

10 mA

10 mA

5 mA

5 mA

t 5 mA

t

IB IB

IB

t

t t



Báziskapcsolású erősítőfokozat:

+Ut

+Ut C1 Ube

E

C

RE

B

C3

E C

RC UEB<0 R1 C2 R2

B

UC B

Uki Közös bázisú kapcs. jó feszültségerősítés nincs áramerősítés



Kollektorkapcsolású erősítőfokozat (emitterkövető):

-Ut

+Ut C1

R1

T

UBC<0

C2

Ube

E C

B

R2 RE

Uki

UEC

Közös kollektorú kapcs. nincs feszültségerősítés jó áramerősítés (impedancia illesztőfokozat)

Ut-UEC

Ut-UBC>0 B

E C

+Ut



Tranzisztoros kapcsolófokozat:

Ut=+12V IC≈ 0 A IC≈50mA RB=1kΩ Ube>0

Túlvezérelt állapot: a bázis-emitter, és bázis-kollektor pn átmenet is nyitóirányban van előfeszítve. A túlvezérelt állapotban a kollektoremitter körnek a telítési feszültségnél a legkisebb az ellenállása.

B

UBE=0V UBE=0.8V

RC=240Ω Uki C

RCE≈100MΩ R ≈4 Ω E CE UCE≈12V UCE≈0.2V

P2

P1



Többfokozatú erősítő:

Ube

AU1

AU2

AU3

Uki

AUe= AU1˙ AU2˙ AU3 AIe= AI1˙ AI2˙ AI3 +Ut

Ube

T1

T2

T3

Uki



Ellenütemű teljesítményerősítő (komplementer emitterkövető)

+Ut

Ha Ube=0V , akkor mindkét tranzisztor

T1

zárva van és így Iki=0 A ⇒ Uki=0 V. - Ha Ube növekszik, akkor a küszöb nyitófeszültség felett T1 nyitni kezd, IE1 nő és így Iki=IE1 növekszik. Vagyis ha Ube>0.7 V ⇒ Uki= Ube-0.7 V . - Ha Ube negatív, akkor a küszöb nyitófeszültség alatt T2 kezd nyitni, IE2 nő és így Iki=-IE1 lesz. Vagyis ha Ube< -0.7 V ⇒ Uki= Ube+0.7 V .

U

UBE1

Ube

Iki

UBE2

RL

T2

-Ut

Ube

0.7 V

Uki

Uki

t

A nullpont közeli torzítás kiküszöbölhető két nyitóirányban előfeszített dióda alkalmazásával.



A nullpont közeli torzítás kiküszöbölhető két nyitóirányban előfeszített dióda alkalmazásával. Ha Ube=0V , akkor mindkét tranzisztor azonos mértékben van nyitva, IE1=IE2 és így Iki=0 A

⇒ Uki=0 V. - Ha Ube növekszik, akkor IE1 nő, IE2 csökken és így Iki növekszik. Ha Ube>0 V ⇒ Iki >0 A - Ha Ube csökken, akkor IE1 csökken, IE2 nő és így Iki csökken. Ha Ube<0 V ⇒ Iki <0 A

Mindegyik esetben Uki=Ube .

U

Ube Uki

t

+Ut

Ube

R1

T1

D1

UBE1

D2 R2

UBE2 T2

IC1 IE1 Iki IE2 IC2 -Ut

Uki RL

F1301 Bevezetés az elektronikába Bipoláris tranzisztorok

Recommend Documents