Άσκηση 7. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (JFET)

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Άσκηση 7. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (JFET)"

בַּעַל־זְבוּל Δασκαλόπουλος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 7 Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (JFET) Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η κατανόηση της λειτουργία των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) και συγκεκριμένα του JFET. Μελετώνται οι χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ και η λειτουργία του σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. Επίσης στόχος είναι να κατανοηθεί και να μετρηθεί η μη γραμμική συμπεριφορά του τρανζίστορ. Εισαγωγή 1. To τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors FET) Εκτός των διπολικών τρανζίστορ υπάρχουν και άλλα τρανζίστορ πολύ διαδεδομένα στη χρήση τους, που ονομάζονται τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors FET). Η λειτουργία τους βασίζεται στον έλεγχο της αντίστασης ενός ημιαγωγού υλικού, μέσω της επίδρασης ηλεκτρικού πεδίου. Γίνεται δηλαδή έλεγχος του ρεύματος που διέρχεται μέσα από ένα κομμάτι ημιαγωγού, ένα κανάλι, με έλεγχο του πεδίου που δημιουργείται εφαρμόζοντας κατάλληλη τάση στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Η πρώτη βασική διαφορά σε σχέση με το διπολικό τρανζίστορ είναι, ότι ο έλεγχος του ρεύματος γίνεται με τάση και όχι με ρεύμα. Η δεύτερη διαφορά είναι ότι στα FET η αντίσταση εισόδου είναι πάρα πολύ μεγάλη και αυτό είναι πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό στη σχεδίαση κυκλωμάτων. Μια άλλη διαφορά είναι ότι τα FET είναι μονοπολικά (unipolar) δηλαδή το ρεύμα που το διαρρέει αποτελείται από ένα είδος φορέων (ηλεκτρόνια ή οπές) ενώ το διπολικό τρανζίστορ είναι διπολικό (bipolar). Υπάρχουν κυρίως δύο κατηγορίες FET: 2. JFET Τα JFET (Juction Field Effect Transistor) ή FET επαφής. Τα MOFET (Metal Oxide emiconductor Field Effect Transistor) Στην εργαστηριακή άσκηση που ακολουθεί μελετάται το JFET. Το JFET είναι δύο τύπων, αυτό του καναλιού Ν και αυτό του καναλιού Ρ, ανάλογα με το αν ο ημιαγωγός που σχηματίζει το κανάλι είναι τύπου Ν ή τύπου Ρ. Τα σύμβολα του JFET καναλιού Ν και JFET καναλιού P φαίνονται στο Σχήμα 1. Το JFET έχει 3 ακροδέκτες, την υποδοχή (rain), την πηγή (ource) και την πύλη (ate). To JFET καναλιού Ν είναι ένα κομμάτι ημιαγωγού Ν, όπου στο μέσον των δύο πλευρών του έχει τοποθετηθεί ημιαγωγός τύπου Ρ όπου αποτελεί την πύλη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Το κανάλι δημιουργείται μεταξύ και ενώ τα δύο τμήματα ημιαγωγού Ρ της πύλης ενώνεται εσωτερικά. 1

2 JFET καναλιού Ν JFET καναλιού P Σχήμα 1: Το σύμβολο του JFET I I V V < V p V V > V p Σχήμα 2: Η δομή ενός JFET καναλιού Ν Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία του JFET θα μελετηθεί η μεταβολή του ρεύματος I σε σχέση με τις μεταβολές των V και V. Το αποτέλεσμα της λειτουργίας του JFET, που περιγράφεται στη συνέχεια, αποτυπώνεται στις χαρακτηριστικές εξόδου σε συνδεσμολογία κοινής πηγής, όπως φαίνονται στο Σχήμα 3. Αρχικά θεωρούμε ότι η V είναι μηδενική. Η V, αρχικά είναι μηδέν και στη συνέχεια αυξάνεται σταδιακά. Κατά την αύξηση της V δημιουργούνται περιοχές απογύμνωσης, διευρυμένες προς την υποδοχή, καθώς η επαφή μεταξύ πύλης και καναλιού είναι ανάστροφα πολωμένη. Όσο αυξάνει η V τόσο αυξάνει και το ρεύμα υποδοχής I, έως ότου η περιοχή απογύμνωσης διευρυνθεί τόσο πολύ, κλείνοντας το κανάλι. Από εκείνη τη στιγμή και έπειτα περαιτέρω αύξηση της V φράζει ακόμη περισσότερο το κανάλι, η αντίσταση του καναλιού μεγαλώνει και το I παραμένει περίπου σταθερό κυρίως λόγω της μεγάλης αντίστασης αλλά και του κορεσμού των φορέων. Η τιμή της τάσης V την οποία επέρχεται φραγή του καναλιού και σταθεροποιείται το I λέγεται τάσης φραγής ή περίσφιξης ή στραγγαλισμού V P (pinch off voltage). Η τιμή του ρεύματος I κατά τάση V P και V = 0 συμβολίζεται ως I. Έως τώρα η περιγραφή έγινε V = 0. Αν πολώσουμε την πύλη με μία αρνητική τάση, δηλαδή V < 0, τότε γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η φραγή του καναλιού θα επέρχεται νωρίτερα, καθώς η περιοχή απογύμνωσης θα μεγαλώνει νωρίτερα και το τελικό ρεύμα θα σταθεροποιείται σε μικρότερες τιμές από αυτό του I. Η τάση φραγής V P θα επέρχεται επίσης σε μικρότερες τιμές σε σχέση με την περίπτωση όπου ήταν V = 0. Έτσι όσο πιο αρνητική γίνεται η V τόσο μικραίνει η V P. Η τιμή V P σε σχέση με την V δίδεται από τη σχέση 2

3 I I γραμμική περιοχή V P = V P V (1) περιοχή κόρου V =0 V = 0.5 V V = 1 V V = Vp 0 V p περιοχή αποκοπής V Σχήμα 3: Το σμήνος χαρακτηριστικών του JFET Από την παραπάνω περιγραφή γίνεται φανερό ότι η πύλη βρίσκεται διαρκώς σε ανάστροφη πόλωση σε σχέση με το κανάλι, μεταξύ υποδοχής και πηγής. Για το λόγο αυτό, το ρεύμα που εισέρχεται στην πύλη είναι μηδενικό. Η ιδιότητα αυτή είναι πολύ σημαντική στη σχεδίαση κυκλωμάτων. 3. Περιοχές λειτουργίας Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3, το I μηδενίζεται κάτω από μία τιμή της V. Η οποία σε απόλυτες τιμές είναι ίση με την V P. Τότε το JFET λειτουργεί στην περιοχή αποκοπής. Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του FET: η γραμμική ή ωμική περιοχή, η περιοχή αποκοπής και η περιοχή κόρου. Η περιοχή αποκοπής, που όπως περιγράφηκε νωρίτερα ισχύει όταν I = 0 ( V < V P ). Η γραμμική ή ωμική περιοχή λειτουργίας είναι όταν το η V είναι πολύ μικρή, μικρότερη της V P και V P < V < 0. Τέλος, η περιοχή κόρου είναι V > V P και V P < V < 0. Η περιοχή κόρου είναι η κανονική περιοχή λειτουργίας του JFET όταν θέλουμε να λειτουργεί ως ενισχυτής και αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του διπολικού τρανζίστορ. Η περιοχή κόρου του JFET δεν πρέπει να συγχέεται με την περιοχή κόρου του διπολικού τρανζίστορ. Πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή ώστε να μην συγχέονται οι περιοχές λειτουργίας του JFET με τις περιοχές λειτουργίας του BJT. Η περιοχή κόρου του JFET αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του BJT. Είναι δηλαδή, η περιοχή μέσα στην οποία το JFET χρησιμοποιείται να λειτουργήσει ως ενισχυτής, καθώς το ρεύμα εξόδου I εξαρτάται μόνο από την τάση εισόδου V και είναι ανεξάρτητη από την τάση εξόδου V. Από την άλλη πλευρά, η «γραμμική ή ωμική» περιοχή λειτουργίας του JFET αντιστοιχεί στην περιοχή κόρου του BJT. Ονομάζεται δε, «γραμμική ή ωμική», επειδή σε αυτήν την περιοχή μπορεί να θεωρηθεί ότι το ρεύμα I είναι ανάλογο με την V και συνεπώς το JFET λειτουργεί ως αντίσταση. Γίνεται φανερό ότι, όταν κατά τη λειτουργία του JFET σε ψηφιακά κυκλώματα, μεταβαίνει από την περιοχή αποκοπής στην ωμική περιοχή και αντίστροφα, ενώ ως ενισχυτής πρέπει να λειτουργεί συνεχώς εντός της περιοχής κόρου. 3

4 Σαν συμπέρασμα, το JFET λειτουργεί σαν αντίσταση μικρές τιμές της V, ενώ λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση μεγάλες τιμές της V. Το ρεύμα I ελέγχεται από την τάση V σύμφωνα με τη σχέση (2) Αν και αναφέρθηκε νωρίτερα ότι το I παραμένει σταθερό τάσεις V > V P (ή V P ) στην πραγματικότητα εμφανίζουν μια μικρή αύξηση. Αυτό σημαίνει ότι οι χαρακτηριστικές δεν είναι εντελώς οριζόντιες αλλά έχουν μια μικρή κλίση προς τα πάνω όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Η σχέση (2) δείχνει ότι η μεταβολή του ρεύματος I με την τάση V συνδέεται με τον τετραγωνικό νόμο. Αν μάλιστα σχεδιάσουμε την χαρακτηριστική μεταφοράς, δηλαδή τη σχέση, (3) τότε προκύπτει ότι αυτή είναι παραβολή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Η μεταβολή του ρεύματος ως προς την τάση ονομάζεται διαγωγιμότητα (transconductance) g m. (4) I περιοχή κόρου I γραμμική περιοχή V Σχήμα 4: Χαρακτηριστική μεταφοράς 4. Συνδεσμολογία JFET Η συνδεσμολογία των JFET μπορεί να γίνει με τρείς τρόπους: κοινής πηγής, κοινής υποδοχής και κοινής πύλης, όπως φαίνονται στο Σχήμα 5. Η περιγραφή της λειτουργίας του JFET, που προηγήθηκε, έγινε θεωρώντας το σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. 4

5 V Ι V V Ι V V Ι V (α) (β) (γ) Σχήμα 5: Συνδεσμολογία α) Κοινής πηγής, β) κοινής υποδοχής, γ) κοινής πύλης 5

6 6

7 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 7 JFET σε συνδεσμολογία Κοινής Πηγής ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

Πρακτική Άσκηση Αντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η γνωριμία με τo JFET τρανζίστορ.

Για την διεξαγωγή της άσκησης χρειάζονται δύο τροφοδοτικά dc (ένα τα 5V dc και ένα μεταβλητής εξόδου από 0 έως 15V dc) και δύο πολύμετρα.

Από τα πολύμετρα θα χρησιμοποιηθεί μόνο αυτό την μέτρηση του ρεύματος Ι και αυτό της τάσης V.

8 Πρακτική Άσκηση Αντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η γνωριμία με τo JFET τρανζίστορ. Μελετώνται οι τάσεις του τρανζίστορ (πολώσεις), οι μεταβολές και η αλληλεξάρτηση τάσεων και ρευμάτων του και γίνεται χάραξη των χαρακτηριστικών εξόδων σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. Για την διεξαγωγή της άσκησης χρειάζονται δύο τροφοδοτικά dc (ένα τα 5V dc και ένα μεταβλητής εξόδου από 0 έως 15V dc) και δύο πολύμετρα. 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως στο παρακάτω σχήμα προσέχοντας τις πολικότητες των πηγών, ειδικά αυτό της εισόδου. Μηδενίστε τα τροφοδοτικά πριν τα συνδέσετε στο κύκλωμα. Από τα πολύμετρα θα χρησιμοποιηθεί μόνο αυτό την μέτρηση του ρεύματος Ι και αυτό της τάσης V. Η ένδειξη την τάση V θα λαμβάνεται κατευθείαν από την ένδειξη του τροφοδοτικού που συνδέεται στην έξοδο του κυκλώματος. 15 V 47 KΩ 10 KΩ Α V A 0 15 I V dc V V 0 Σχήμα 1. Σύνδεση κυκλώματος JFET 2) Λήψη μετρήσεων την χαρακτηριστική εξόδου Θέστε το τροφοδοτικό εισόδου στα 15 V και ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο της πλακέτας ώστε V =0 V. Ανοίξτε το τροφοδοτικό εξόδου και αρχίστε να αυξάνεται την τάση V όπως φαίνεται στον Πίνακα 1 και καταγράψτε τις αντίστοιχες τιμές το I. Επαναλάβετε όλες τις τιμές της V, ώστε να συμπληρωθεί ολόκληρος ο Πίνακας 1. 3) Χάραξη χαρακτηριστικής εξόδου Με τις τιμές του Πίνακα, χαράξτε τις χαρακτηριστικές εξόδου του FET Γράφημα 1. 8

Πίνακας 1 V (V) V =0 V V =0.5 V V =1.0 V V =2 V V =5.0 V V =10 V V =15 V 0 0.

9 Πίνακας 1 V (V) V =0 V V =0.5 V V =1.0 V V =2 V V =5.0 V V =10 V V =15 V V (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστικές εξόδου JET κοινής πηγής 9

10 4) Ερωτήσεις Μελετώντας τις χαρακτηριστικές εξόδου να απαντήσετε στα παρακάτω ερωτήματα: α) Ποια είναι η VP V =0; Δηλαδή ποια είναι η τιμή της V την οποία το I γίνεται σχεδόν σταθερό από αυτή; V p= β) Ποια είναι η τιμή του Ι ; Δηλαδή ποια είναι η μέγιστη τιμή του I την οποία το ρεύμα I γίνεται σχεδόν σταθερό; I = γ) Για μια δεδομένη τιμή της V (πχ. 10V) ίσες μεταβολές της V προκαλούν ίσες μεταβολές του I ; Τι συμπεράσματα βγάζετε από την απάντησή σας το g m; δ) Ποια είναι η τιμή του I ; I = ε) Αν προσπαθήσετε να μετρήσετε το ρεύμα της πύλης I, με μικροαμπερόμετρο στην είσοδο τι τιμές θα πάρετε; Είναι αυτό δυνατό και τί; 10

Σχετικά έγγραφα

Άσκηση 5. Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης

Άσκηση 5. Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των