Obr Zapojcnie na meranie statickej charakteristiky polovodičovej diódy jednosmerným prúdom

Transcript

1 Statické charakteristiky polovodičových diód vyjadrujú závislosť napätia od prúdu, prípadne závislosť prúdu od napätia. Dióda môže byť zapojená v priamom alebo spätnom smere. Charakteristika diódy zapojenej v priamom smere je závislosť priepustného prúdu Ip, od jednosmerného napätia pripojeného na diódu v priamom smere. Charakteristika diódy zapojenej v spätnom smere je závislosť záverného prúdu Iz od jednosmerného napätia pripojeného na diódu v spätnom smere. Pri meraní statických charakteristík jednosmerným prúdom (bod po bode), môžeme použiť zapojenie podľa obr Jednosmerná Charakteristika polovodičovej diódy je na obr.8.2. Pri meraní charakteristiky polovodičovej diódy v priamom smere prepneme prepínač PR do polohy a-a'. Obr Zapojcnie na meranie statickej charakteristiky polovodičovej diódy jednosmerným prúdom Rezistorom R 1 a R 2 nastavujeme priepustný prúd, ktorý meriame ampérmetrom A 1 ; voltmetrom V 1 súčasne meriame napätie na dióde. Použitý voltmeter V 1 musí mať vnútorný odpor aspoň stokrát väčší, ako je najväčší predpokladaný činný odpor meranej diódy zapojenej v priamom smere. Pri meraní charakteristiky v spätnom smere prepneme prepínač do polohy b---b'. Potenciometrom R 3 nastavujeme záverné napätie U z, ktoré meriame voltmetrom V 2, záverný prúd meriame ampérmetrom A 2 (väčšinou mikroampérmeter). Prúd v spätnom smere (záverný prúd) obmedzuje rezistor R 4 na hodnotu 1,5- až 2-krát väčšiu, ako je najväčšia prípustná hodnota prúdu v spätnom smere. Účinnosť prúdového obmedzenia závisí od vnútorného odporu voltmetra V 2, ktorý musí byť omnoho väčší ako odpor rezistora R 4. Aby sa nemusela robiť oprava na úbytok napätia na ampérmetri A 2, nesmie byť úbytok napätia na ampérmetri väčší ako 5 % z hodnoty napätia na voltmetri V 2. Prípustné hodnoty napätia v priamom a spätnom smere závisia od použitej diódy a zistíme ich z katalógu podľa údajov výrobcov. Pri ich prekročení môžeme totiž diódu a prípadne aj meracie zariadenie zničiť. 1

2 Tyristor je polovodičová súčiastka, ktorá má tri priechody PN. Tyristor zapojený v priamom smere môžeme prepínať z blokovacieho (nevodivého) stavu do vodivého stavu a naopak. Pod názvom tyristor bežne rozumieme triodový spätne závěrný tyristor {obr. 8.3). Tri z jeho vrstiev sú vyvedené ako anóda (A ), katóda (K ) a riadiaca elektróda (G). Z usporiadania vrstiev vyplýva, že tyristor neprepúšťa prúd ani pri jednej polarite napätia pripojeného na anódu a katódu. Keď je na anóde kladné napätie, je zavretý priechod PR 2, ak je kladné napätie na katóde, sú zavreté priechody PR 1 a PR 3. Priechod PR 2 možno otvoriť zavedením prúdu do obvodu riadiaca elektróda katóda. Pri otvorenom priechode PR 2 bude prechádzať prúd cez tyristor vtedy, keď je na anóde kladné napätie. Hodnota anódového napätia, pri ktorom sa otvorí priechod PR 2, závisí od veľkosti prúdu riadiacej elektródy I G. Pri väčšom prúde riadiacej elektródy I G sa priechod PR 2 otvorí pri nižšom anódovom napätí. Obr Triodový spätne záverný tyristor Úplná voltampérová charakteristika tyristora (obr. 8.4) sa skladá z charakteristiky v spätnom smere (5), z blokovacej charakteristiky (1 ), vodivej charakteristiky (4 ), časti so záporným diferenciálnym odporom (3 ), ktorá vzniká pri zapínaní tyristora (nemeriava sa), a z časti blokovacej charakteristiky (2), v ktorej anódové napätie dosahuje prierazné napätie U B0. Pri meraní úplnej voltampérovej charakteristiky, najmä blokovacej charakteristiky a charakteristiky v spätnom smere, sa riadiaca elektróda nepripája alebo sa pripája cez predpísaný rezistor na katódu. Jednotlivé časti úplnej voltampérovej charakteristiky možno odmerať samostatne a doplniť ich meraním hodnoty prídržného prúdu I H, prípadne meraním zapínacieho prúdu a napätia riadiacej elektródy. Obr Úplná voltampérová charakteristika tyristora MERANIE BLOKOVACEJ CHARAKTERISTIKY TYRISTORA Meranie blokovacej charakteristiky tyristorov PNPN možno uskutočniť v zapojení podľa obr Potenciometrom R 1 nastavujeme priepustné blokovacie napätie U FD a na miliampérmetri A 1 odčítame priepustný blokovací prúd I AF. Obmedzovací odpor R s je daný pomerom minimálneho spínacieho napätia U BOmin a prídržného prúdu I H R s = U BOmin / I H Voltampérové charakteristiky meriame len po oblasť ohybu, prípadne po hodnotu menovitého blokovacieho napätia. Pred meraním nastavíme požadované podmienky pre riadiacu elektródu. Riadiaca elektróda sa môže nechať voľná, môže sa spojiť s katódou cez rezistor s predpísaným odporom, alebo nastavíme požadovaný prúd riadiacej elektródy. Priepustné blokovacie napätie môžeme zvyšovať po hodnotu, kedy tyristor prejde do vodivého (zopnutého) stavu, hodnota obmedzovacieho odporu R s však musí byť dostatočne veľká, aby sme nezničili ampérmeter A 1. Spínacie napätie U B0 sa odčíta na voltmetri V t tesne pred zopnutím tyristora. Tyristor uvedieme do blokovacieho stavu prerušením anódového obvodu pomocou tlačidla Tl. MERANIE CHARAKTERISTIKY TYRISTORA V SPÄTNOM SMERE -vyžaduje zmenu polarity zdroja U AK tak, aby na anóde bolo záporné napätie. Postup pri meraní je podobný ako pri meraní blokovacej charakteristiky. Keď sa dosiahne koleno charakteristiky v spätnom smere, regulujeme napätie tak, aby prúd rástol po určitých stupňoch, až kým nedosiahne hodnotu maximálneho závěrného prúdu I Rmax. MERANIE VODIVEJ CHARAKTERISTIKY TYRISTORA Meriame v zapojení podľa obr Prúd v obvode riadiacej elektródy nastavíme pomocou zdroja U GK a rezistora R G na takú hodnotu, aby pri stlačení tlačidla Tl tyristor spoľahlivo prešiel do vodivého stavu. Po zopnutí tyristora zmenou odporu rezistora R s nastavujeme požadované hodnoty priepustného prúdu I T, súčasne odčítame na voltmetri V 1 prislúchajúce hodnoty napätia U T. Meranie prerušíme, ak prúd I T dosiahne maximálnu dovolenú hodnotu. Obr Schéma na meranie vodivej charakteristiky tyristora 2

3 Pri meraní tranzistorov musíme zachovať tepelnú rovnováhu tranzistora. Výkon v tepelnej rovnováhe, ktorý sa rozptyľuje v štruktúre tranzistora, je rovnaký s výkonom, ktorý sa odvádza zo štruktúry do okolitého prostredia. Tepelná nestabilita ovplyvňuje výsledky merania a všeobecne môžu nastať tri prípady. a) hodnota meraného parametra je od okamihu pripojenia stála - tranzistor je v tepelnej rovnováhe, b) hodnota meraného parametra sa najprv mení, a po dosiahnutí tepelnej rovnováhy sa ustáli. Meranú hodnotu odčítame až vtedy, keď sa v rámci požadovanej presnosti merania už parameter nemení, c) hodnota meraného parametra sa stále mení - tranzistor je tepelne nestabilný. Zlepšiť treba odvod tepla alebo použiť impulzovú metódu merania. Meranie parametrov tranzistorov rozdeľujeme do troch skupín a) meranie statických parametrov a charakteristík, b) meranie nízkofrekvenčných parametrov, c) meranie vysokofrekvenčných parametrov. MERANIE STATICKÝCH PARAMETROV A CHARAKTERISTÍK TRANZISTOROV PNP Statické parametre a charakteristiky vyjadrujú správanie sa tranzistora pri napájaní jednosmerným prúdom. Merajú sa tak zvyškové prúdy, saturačné napätia, jednosmerný prúdový zosilňovací činiteľ a sústava jednosmerných charakteristík. Zvyškový prúd kolektor-báza I CBO je spätný prúd, prechádzajúci prechodom kolektor-báza pri stanovenom spätnom napätí a nulovom prúde emitora. Zvyškový prúd emitor-báza I EBO je spätný prúd, ktorý prechádza prechodom NPN emitor-báza pri stanovenom spätnom napätí, pri nulovom prúde kolektora. Schéma zapojenia merania I CBO a I EBO na tranzistore je na obr Zvyškový prúd kolektor-emitor je pokojový prúd, ktorý prechádza obvodom kolektor-emitor pri zvolenom napätí U CE. Tento prúd sa mení v závislosti od zapojenia obvodu bázy. Pri nepripojenej báze ho označujeme I CEO, pri zaradenom odpore medzi bázu a emitor I CER, pri skratovom obvode báza-emitor I CES a pri pripojenom napätí medzi bázu a emitor I CEU. Zvyškové prúdy kolektor-emitor meriame v zapojení podľa obr Pri meraní zvyškových prúdov nesmieme napájacie napätie v ktoromkoľvek obvode zvyšovať do oblasti prierazu meraného prechodu!!! Napätie má byť maximálne také, aby sa hodnoty meraných zvyškových prúdov pri zmene napätia o 5 % nelíšili viac ako 20 %. Najčastejšie používané zapojenie na meranie saturačných napätí bázy U BEsat a kolektora U CEsat je na obr Rezistormi R B a R c nastavíme dané prúdy l B a I c a odmeriame saturačné napätia. Voltmetrom V 1 meriame U BEsal, voltmetrom V 2 odmeriame U CEsat. Hodnoty nastavených prúdov bázy a kolektora zvolíme tak, aby tranzistor bol v nasýtenom stave. Musí platiť I C / I B h 21 E min Ob r Meranie zvyškových prúdov I EBO, I CB O (R A «r CB, R A «r EB, R V» R 0) Obr Meranie zvyškových prúdov kolektor-emitor I CE0, I CER, I CES, I CEU ( R A «r CE,, R V» R 0 ) kde h 2 1Emi n je najmenšia predpokladaná hodnota prúdového zosilňovacieho činiteľa. Najčastejšie zvolíme I B / I C = 1 / 10 Obr Meranie saturačných napätí f BEsal, U CEsa, (R^» r BE, R v^» r CE) Jednosmerný prúdový zosilňovací činiteľ h 2lE meriame podľa obr Obr.3 Meranie I B, U BE a h 21 (R v» r BB ) 3

4 V obvode prúd I c nastavujeme nastaviteľným rezistorom R B. Hodnotu h 2 1 E v danom pracovnom bode vypočítame z nameraných hodnôt I B a I C h 21 E = I C / I B pričom vplyv zvyškového prúdu I CBO môžeme obyčajne zanedbať. Po dosadení I CBO do výpočtu h 21 E = I C - I CB0 / I B + I CB0 Vzťahy medzi napätiami a prúdmi tranzistora môžeme vyjadriť sústavou jednosmerných charakteristík. Najčastejšie meriame sústavu jednosmerných charakteristík v zapojení so spoločným emitorom (obr. 3.5). Meriame: 1. Výstupnú charakteristiku naprázdno - vyjadruje závislosť kolektorového prúdu I c od napätia kolektora U CE pri konštantnom prúde bázy I B I c = f(u ce ) I B= k onš t. 2. Prevodovú charakteristiku pri stálom napätí - vyjadruje závislosť prúdu kolektora I c od prúdu bázy I B pri stálom napätí kolektora U CE I c = f(i B ) U CE = konšt. Obr Sústava jednosmerných charakteristík tranzistora v zapojení so spoločným emitorom 3. Vstupnú charakteristiku nakrátko - vyjadruje vzťah medzi prúdom bázy I B a napätím bázy U BE pri stálom napätí kolektora U CE U BE = f(i B ) U CE = konšt. 4. Prevodovú charakteristiku pri stálom prúde - vyjadruje vzťah medzi napätím kolektora U CE a napätím bázy U BE pri stálom prúde bázy I B U BE = f(u CE ) I B = konšt. Zapojenie na meranie charakteristík tranzistora v zapojení so spoločným emitorom je na obr Sústavu výstupných charakteristík naprázdno meriame v dovolenom rozsahu kolektorového napätia. Zvyšujeme napätie U CE a meriame prúd I CE. Udržiavame pritom prúd bázy I B konštantný. Pre jednotlivé charakteristiky zvolíme prúd bázy z dovoleného rozsahu bázových prúdov pre daný typ tranzistora. Obr Základné zapojenie na meranie charakteristík tranzistora v zapojeni so spoločným emitorom Pri meraní sústavy vstupných charakteristík nakrátko meriame napätie U BE v závislosti od bázového prúdu I B pri zvolených hodnotách kolektorového napätia U CE. Meriame spravidla dve charakteristiky, a to pri U CE = 0 a pri takom napätí, aké predpokladáme pre pracovný bod tranzistora. Prevodové charakteristiky pri stálom napätí meriame pri vybraných hodnotách z dovoleného rozsahu U CE. Meriame prúd kolektora I c v závislosti od prúdu I B, pričom udržiavame U CE konštantné. Meriame v dovolenom prúdovom a výkonovom rozsahu tranzistora. Prevodové charakteristiky pri stálom prúde meriame pri konštantných hodnotách bázového prúdu I B. Postupne zvyšujeme napätie kolektora U CE a meriame napätie U BE. Meriame opäť v dovolených rozsahoch napätí a prúdov, pričom musíme dodržať tepelnú rovnováhu tranzistora. Z nameraných jednosmerných charakteristík môžeme určiť vo zvolenom pracovnom bode parametre h z elementárnych zmien meraných veličín. Prúdový zosilňovači činiteľ h 21 e = Δ Ic / Δ I B U ce = konšt 4

5 MERANIE ZVYŠKOVÝCH PRÚDOV TRANZISTOROV Meranie zvyškového prúdu kolektor - báza I CB0 Prúd I CB0 je závěrný prúd tečúci priechodom kolektor báza pri určitom napätí medzi bázou a kolektorom U CB a pri odpojenom emito-re. Meriame ho v zapojení podľa obr Meranie zvyškového prúdu emitor - báza I EBO Prúd I EB0 je záverný prúd tečúci priechodom emitor báza pri určitom napätí medzi bázou a emitorom, keď je kolektor odpojený, t. j. I c = 0 (obr.8.8). Obr Zapojenie na meranie zvyškových prúdov tranzistorov I CB0 a I EBO MERANIE STATICKÝCH CHARAKTERISTÍK TRANZISTOROV Statické charakteristiky sa jednoducho merajú voltampérovými metódami jednosmerným prúdom, preto ich nazývame aj jednosmerné charakteristiky. Jednosmerné charakteristiky umožňujú sledovať vzťahy medzi jednosmernými prúdmi a napätiami tranzistora. Udávajú závislosť troch veličín, pričom jedna veličina sa udržuje konštantná. Preto sa pri tranzistoroch stretávame s väčším počtom jednosmerných charakteristík. Hlavné jednosmerné charakteristiky sú vstupné, výstupné a prevodové. Priebeh charakteristík závisí od elektródy, ktorá je spoločná pre vstupný a výstupný obvod. Uvedieme meranie jednosmerných charakteristík tranzistorov v zapojení so spoločným emitorom. Majú využitie napr. pri návrhu zosilňovača. Meranie výstupných charakteristík naprázdno tranzistora v zapojení SE Výstupná charakteristika naprázdno v zapojení SE je závislosť kolektorového prúdu od kolektorového napätia pri konštantnom bázovom prúde, I c = f(u c ) pri I B = konšt. Meriame v zapojení podľa obr Na obr je výstupná charakteristika tranzistora PNP. Pretože bázový prúd musí byť počas merania konštantný, napájame bázový obvod zo zdroja konštantného prúdu. Ak nemáme k dispozícii takýto zdroj, môžeme na tento účel upraviť zdroj regulovatelného napätia, s ktorým do série zapojíme rezistor s väčším odporom tak, ako je to na schéme zapojenia. Kolektorový obvod napájame z akumulátorovej batérie, alebo zo stabilizovaného zdroja napätia. Je vhodné počas merania tranzistor vložiť do chladiča, lebo preťažením sa mení priebeh charakteristík. Aby sme počas merania neprekročili hodnotu P Cmíx, pred meraním nakreslíme na milimetrový papier krivku maximálnych kolektorových strát a merané hodnoty vynášame hneď do grafu, pričom výstupné charakteristiky meriame len po krivku P Cmax. Na meranie bázového prúdu možno použiť magnetoelektrické mikroampérmetre alebo miliampérmetre, kolektorový prúd meriame tiež magnetoelektrickým miliampérmetrom. Kolektorové napätie meriame voltmetrom, ktorého vnútorný odpor je aspoň stokrát väčší, ako je výstupný odpor tranzistora. Obr Schéma zapojenia pri meraní výstupných charakteristík naprázdno tranzistora PNP v zapojeni SE Obr.8.11.Výstupné charakteristiky naprázdno tranzistora PNP v zapojení SE 5

6 Meranie vstupných charakteristík nakrátko tranzistora v zapojení SE Vstupná charakteristika nakrátko v zapojení SE je závislosť bázového prúdu od napätia medzi bázou a emitorom pri konštantnom napätí U CE, I B = f(u BE ) pri U CE = konšt. Meriame v zapojení podľa obr Vstupná charakteristika tranzistora PN P je na obr V kolektorovom obvode použijeme zdroj konštantného napätia možnosťou regulácie. Bázový obvod napájame zo zdroja nízkeho napätia, ktorý regulujeme potenciometrom R 1. Napätie U BE meriame voltmetrom s veľkým vnútorným odporom, najlepšie elektronickým milivoltmetrom, prípadne kompenzátorom. Napätie U BE meriame tak, že nastavíme konštantné napätie U CE, meníme veľkosť bázového prúdu a odčítame príslušné hodnoty napätia báza emitor. Pri meraní kontrolujeme stratový výkon na kolektore. Obr Vstupné charakteristiky nakrátko tranzistora PNP v zapojení SE STANOVENIE PARAMETROV h ZO SÚSTAVY NAMERANÝCH CHARAKTERISTÍK Z charakteristík tranzistorov možno určiť hlavné parametre tranzistorov. Na určenie najpoužívanejších parametrov h tranzistorov v pracovnom bode P sa charakteristiky kreslia v tvare, ktorý je na obr V prvom kvadrante je nakreslená výstupná charakteristika naprázdno, v druhom kvadrante prevodová charakteristika pri konštantnom napätí, v treťom kvadrante vstupná charakteristika nakrátko a vo štvrtom kvadrante spätná prevodová charakteristika. Pracovný bod premietneme postupne do všetkých charakteristík. Podľa smernice príslušnej charakteristiky v pracovnom bode P sa z jednotlivých charakteristík určia parametre h nasledujúcim spôsobom: 1. kvadrant výstupná admitancia naprázdno h 22e = ΔI C / ΔU CE pri I B = konšt. 2. kvadrant prúdový zosilňovací činiteľ nakrátko h 21e = ΔI C / ΔI B pri U CE = konšt 3. kvadrant vstupná impedancia nakrátko h 11e = ΔU BE / ΔI B pri U CE = konšt 4. kvadrant spätný napäťový činiteľ h 12e = ΔU BE / ΔU CE pri I B = konšt Obr Schéma zapojenia pri meraní vstupných charakteristík nakrátko tranzistora PNP v zapojení SE s 6

7 Unipolárne tranzistory sú - tranzistory řízené polem (napětím) - má 3 elektrody : G gate, řídící elektroda. Nemá vodivé spojení se zbytkem tranzistoru D drain, funkce jako u kolektoru S source, funkce jako u emitoru Technologie unipolárních tranzistorů MOS FET - izolační vrstva je z oxidu křemičitého SiO 2 J FET izolační vrstva mezi G a polovodičem je tvořena přechodem PN v závěrném směru. MIS FET izolační vrstva je z jiného materiálu (metal, křemík) MES FET - izolační vrstva je kov polovodič v závěrném směru MAS FET - izolační vrstva je tvořena oxidem hlinitým Al 2 O 3 Vlastnosti unipolárních tranzistorů - velký vstupní odpor, větší než 10 MΩ - dají se použít na vysokých kmitočtech - nevýhoda: snadno se zničí (velký proud řídící elektrodou, i statická elektřina) Použití unipolárních tranzistorů - součásti integrovaných obvodů, jako buňky v obvodech - vyrábí se výkonové => použití v zesilovačích - jako spínací součástky - jako vysokofrekvenční (anténní zesilovače) Z anglického názvu, ktorý opisuje štruktúru tranzistora slovami "kov-izolant-polovodič" vznikli skratky MIS, prípadne MOS, ak je izolačná vrstva vytvorená z oxidu. Tieto skratky sa často spájajú s už "vedenou skratkou FET, takže vznikajú skratkové slová MISFET alebo MOSFET. Obr.1a obr.1 Obr.1b MOS Fet tranzistor s indukovaným kanálkem (obohacovací) obr.1 Ugs vstupní, řídící napětí Id - výstupní proud Uds výstupní napětí Při Ugs = 0 tranzistor nevede, přechody PN mezi S a D jsou zavřené. Při Ugs > 3,5V se mezi D a S vytváří vodivá vrstva (kanál) a tranzistor vede proud Id. Výstupní charakteristika obr.1b - popisuje závislost výstupního proudu Id na výstupním napětí Uds ( velikost proudu záleží na typu tranzistoru VF ma, výkonové A) ( saturační oblast 1 2 V) Převodní charakteristika obr.1a - závislost výstupního proudu Id na vstupním napětí Ugs - je podobná, jako vstupní charakteristika tranzistoru.tranzistor se otevírá až od 3V Použití - spínací součástka (GHz), velké proudy, rychlé spínání - zesilovač napěťový MOS Fet tranzistor s ochuzovacím kanálkem (Vodivý kanál existuje i bez Ugs) - pokud napětí Ugs = 0, tak prochází proud Id > 0 - pokud napětí Ugs zvětšujeme, tranzistor se více otvírá, proud se zvětšuje. (Ugs max 5 V) - pokud napětí Ugs je záporné, proud Id klesá. Při Ugs = -5V je Id = 0. - Na vstup je možno připojit střídavé napětí, proud Id se mění podle velikosti Ugs. Výstupní charakteristika - popisuje závislost výstupního proudu Id na výstupním napětí Uds Převodní charakteristika - závislost výstupního proudu Id na vstupním napětí Ugs - nepoužívá se jako spínač, protože Ugs +5V a -5V. 7

8 Tranzistory riadené poľom majú definované dva zvyškové prúdy: I CEO a I CES. Zvyškový prúd I CEO je definovaný ako prúd pretekajúci kolektorom pri nulovom napätí hradia vzhľadom na emitor (U GE = 0). Možno ho odmerať podľa zapojenia na obr. 8.22, ak je (prepínač P v polohe 1). Zvyškový prúd I CES je definovaný ako prúd pretekajúci kolektorom pri danom napätí U CE a napätí U GE (prepínač P je v polohe 2). Zapojenie je vhodné na meranie tranzistorov MIS FET s kanálom N. Závěrné napätie kolektora U CEO je napätie medzi kolektorom a emitorom pre daný prúd I C a napätie U GE. Zapojenie na obr umožňuje odmerať prevodovú charakteristiku, ktorá vyjadruje závislosť kolektorového prúdu I C od napätia U GE pri konštantnom napätí U CE. Pri meraní postupujeme tak, že na voltmetri V nastavíme zvolené napätie U CE:. Potom potenciometrom P 2 nastavíme U GE na takú hodnotu, aby cez ampérmeter A začal pretekať kolektorový prúd. Napätie U GE potom postupne zmenšujeme až na nulu, pričom zaznamenávame príslušné hodnoty prúdu I C. Po dosiahnutí napätia U GE = 0 zmeníme polaritu zdroja U 2 tak, aby bolo hradlo kladné vzhľadom na emitor, a pokračujeme v meraní tak, že nastavujeme postupne väčšie hodnoty U GE a zaznamenávame príslušné hodnoty prúdu I c. Meranie ukončíme vtedy, keď dosiahneme hodnotu P C max alebo hraničnú hodnotu kolektorového prúdu. C Obr Princíp merania I CES a I CE0 E G U 2 FET Tranzistor ovládaný el. poľom Na rozdiel od bipolárnych tranzistorov (v ktorých je kolektorový prúd pomocou prúdu bázy) v tranzistoroch ovládaných elektrickým poľom (FET) sa ovláda kolektorový prúd pomocou napätia medzi riadiacou elektródou a emitorom. Pretože cez riadiacu elektódu neprechádza prakticky žiaden prúd majú FET-y vysoký vstupný odpor (vyšší ako Ω). Charakteristiky Existujú dva základné typy FET-ov, každý z nich sa vyskytuje v dvoch prevedeniach s rôznou polaritou (nkanálový, podobe ako NPN u bipolárnych tranzistorov a p- kanálový, čo je obdoba PNP u bipolárnych tranzistorov): JFET (označenie z anglického junction => odpojka) - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou PN prechodom; MOSFET - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou izolačnou vrstvou SiO 2 (metal - oxid - semiconductor) 8

9 MERANIE ZÁKLADNÝCH PARAMETROV OPERAČNÝCH ZOSILŇOVAČOV Operačný zosilňovač sa svojimi elektrickými vlastnosťami (veľký vstupný odpor, malý výstupný odpor, veľké zosilnenie, malý teplotný drift) pri určitých aplikáciách približuje k ideálnemu zosilňovaču. Tieto vlastnosti operačného zosilňovača spolu s vysokou spoľahlivosťou a nízkou cenou ho predurčujú na použitie ako univerzálny stavebný prvok v obvodoch oznamovacej, meracej a výpočtovej techniky. Z obvodového hľadiska možno operačný zosilňovač definovať ako aktívny prvok, ktorý má najmenej tri vývody a spoločnú zem. Má dva vstupy; jeden natáča fázu vstupného napätia vzhľadom na výstupné napätie (označuje sa znamienkom a nazýva sa invertujúci vstup), druhý vstup nenatáča fázu vstupného napätia (označuje sa znamienkom + a nazýva sa neinvertujúci vstup). Operačný zosilňovač sa napája z dvoch samostatných zdrojov opačných polarít (symetrický zdroj), pričom druhé póly zdrojov sú spojené so spoločnou zemou. Svojou podstatou predstavuje operačný zosilňovač diferenciálny zosilňovač; zosilňuje iba rozdiel potenciálov obidvoch vstupov a potláča každý jednosmerný alebo striedavý signál, ktorý je spoločný pre obidva vstupy. Platí, že ak U 2 = U 3 (obr. 9.1), tak Uz = 0. Pre ideálny operačný zosilňovač platí: U p = U 2 - U 3, I 2 = - I 3, a Uz = -A 0 U P, kde A 0 je napäťové zosilnenie bez spätnej väzby. Pre ideálny operačný zosilňovač ďalej platí: A 0 =, vstupná impedancia Z p =. Znamená to, že vstupný prúd do rozdielového zosilňovača I p = 0 a budiaci príkon P p = 0, Z v = 0. Operačný zosilňovač však môže pracovať ako zosilňovač iba vtedy, ak zavedieme vonkajšiu spätnú väzbu. Pôsobením zápornej spätnej väzby {obr. 9.2) sa časť výstupného signálu privedie späť na vstup a plne kompenzuje vstupné napätie (U p = 0). Preto pre operačný zosilňovač platí I 1 + I 2 = (U 1 Up /R 1 ) + ( Uz Up / R 2 ) - Ip Obr.9.2.Operačný zosilňovač v zapojení ako invertujúci zosilňovač Obr.9.1.Symbolická značka operačného zosilňovača a označenie jeho veličin Pre ideálny operačný zosilňovač však platí I p = 0, Up = 0 preto a teda Napäťové zosilnenie ideálneho operačného zosilňovača so spätnou väzbou závisí iba od pomeru spätnoväzbového odporu R 2 a predradeného odporu R 1 Operačný zosilňovač reaguje iba na signál pripojený medzi vstupné svorky + a. Ak pripojíme signál medzi jednu zo vstupných svoriek a zem, druhú svorku musíme spojiť so zemou, aby sa signál uzatvoril vstupnými svorkami zosilňovača. Vstupné obvody ideálneho operačného zosilňovača nie sú ovplyvňované napájacím zdrojom. Ak skratujeme vstupné svorky alebo ak k nim pripojíme ľubovoľnú impedanciu na zem, výstupné napätie ostáva nulové. Pretože reálny operačný zosilňovač sa k ideálnemu iba približuje, výstupné napätie nezávisí iba od rozdielu napätí U p = U 2 U 3, ale aj od veľkosti budiaceho signálu. Preto sa napäťové zosilnenie A u definuje ako pomer výstupného napätia signálu k vstupnému signálu. Treba však rozlišovať napäťové zosilnenie so spätnou väzbou A u a napäťové zosilnenie bez spätnej väzby. Vzťah medzi A 0 a A u reálneho zosilňovača definuje súčiniteľ potlačenia súčtového signálu a miera potlačenia súfázového signálu h = 20 log Ao / Au Pod A u rozumieme súfázové zosilnenie ako pomer výstupného napätia k vstupnému napätiu, ktoré privádzame s rovnakou amplitúdou a fázou súčasne na obidva vstupy. Pre reálny operačný zosilňovač tiež neplatí vzťah I p = 0. Existujú dva nezávislé zdroje vstupného prúdu, aj keď vstupný signál je nulový (U g = 0). Je to vstupný pokojový prúd Io a napäťová nesymetria vstupov U 10. Ich veľkosť závisí od technologického vyhotovenia operačného zosilňovača. Vstupný pokojový prúd Io sa prejavuje rušivo iba vtedy, ak medzi vstupnými svorkami a zemou je zapojený rezistor alebo kondenzátor. Je teplotne závislý. Podľa jeho veľkosti sa posudzuje kvalita operačného zosilňovača. Napäťová nesymetria vstupov U 10 závisí od veľkosti napájacieho napätia U B, od zosilnenia a najmä od toho, či sú obidva vstupy operačného zosilňovača vyrobené úplne rovnako. Napätie U 10 = U 2 U 3, ak U z = 0. Toto napätie musíme priviesť na vstupné svorky operačného zosilňovača, aby bolo jednosmerné napätie na výstupe nulové. Toto napätie sa v operačných zosilňovačoch kompenzuje vonkajším zdrojom. 9

10 VSTUPNÝ POK OJOVÝ P RÚD OPER AČNÉ HO ZOSIL ŇOV AČA je definovaný ako stredná hodnota jednosmerných prúdov, ktoré pretekajú medzi vstupnými svorkami a zemou, ak sa vstupné napätie (napätie od vonkajšieho zdroja) rovná nule. Platí I 1B = U / R ( A; V, Ω) kde R = R 1 + R 2. Zapojenie na meranie Io je na O BR. 9.5, kde DV je číslicový voltmeter so vstupným odporom minimálne 100 M Ω Obr Meranie vstupného pokojového prúdu I 1B M eranie n ap äť ové h o zosi lnen ia p ri ot vorenej sluč ke s pät nej väzby Napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke spätnej väzby A u je definované ako pomer výstupného a vstupného signálu pri predpísanej záťaži, napájacom napätí, frekvencii, teplote a neskreslenom výstupnom signáli. Pri meraní postupujeme tak, že signál z generátora nastavíme na takú úroveň, aby na výstupe bol rozkmit výstupného napätia U 0 = ± 10 V pri napájačom napätí U cc = ± 15 V a zaťažovacom rezistore R, = 2 k Ω. Ako výstupný voltmeter V použijeme nízkofrekvenčný voltmeter so vstupným odporom minimálne 10 MΩ. Ak voltmeter má stupnicu ciachovanú v efektívnej hodnote, výstupné napätie nastavíme na hodnotu U = 7,07 V, čo zodpovedá rozkmitu + 10 V. Pretože zosilnenie A 0 sa pre daný operačný zosilňovač pohybuje v rozpätí 10 4 až 10 5, nemôžeme použiť jednoduchú metódu merania v zmysle definície (rozkmit výstupného napätia by prekročil veľkosť napájacieho napätia a zosilňovač by sa stal nestabilným). Preto sa meria v zapojení podľa obr. 9.6, kde je operačný zosilňovač zapojený so slučkou zápornej spätnej väzby, ale činiteľ spätnej väzby sa rovná 1. Na invertujúcom vstupe sa napätie U 1 ' delí deličom R 2, R 3, v pomere 1:100, takže platí U 1 = U 1 ': 100. Potom pre zosilnenie A u platí A u = U o / U 1 = 100. U o / U 1 ' Budiace napätie má mať čo najnižšiu frekvenciu (5 Hz), aby sme sa čo najviac priblížili k jednosmerným pomerom. Vnútorný odpor generátora nesmie presiahnuť hodnotu 1 kω. Použité rezistory majú mať toleranciu 0,5%. Obr Meranie napäťového zosilnenia A u pri otvorenej slučke spätnej väzby 10

11 Číslicové alebo logické obvody sú konštruované tak. že pracujú iba s dvoma možnými stavmi. Možno teda rozlíšiť iba dve hodnoty signálu alebo dva čiastkové rozsahy jeho hodnôt, kú ktorým možno priradiť informáciu. Za týchto podmienok možno použiť dvojkovů číselnú sústavu a informácie obsiahnuté v signáli spracovať s použitím dvojkových logických operácií. V zariadeniach číslicovej techniky, ktoré využívajú dvojkovů sústavu, sa teda pracuje so signálom, ktorý má iba dva stavy. Vstupy a výstupy číslicových integrovaných obvodov môžu nadobudnúť iba dva možné stavy (pod napätím bez napätia je prúd nie je prúd). Číslicový integrovaný obvod ako logický člen alebo obvod spracúva vstupné informácie vo forme logických premenných na logickú funkciu na výstupe. Táto logická operácia, ktorú vykonáva číslicový integrovaný obvod, využíva zákonitosti logickej algebry. Najčastejšie sa používa Boolova algebra, kde úplný systém základných funkcií tvoria: logický súčet, logický súčin a negácia. V Boolovej algebře jednou zo základných funkcií je logický súčin AND, definovaný tak, že funkcia nadobúda hodnotu logická 1 vtedy a len vtedy, ak každá nezávisle premenná tejto funkcie nadobúda hodnotu logická 1. Nezávisle premenná môže nadobudnúť iba dve hodnoty, ktoré označujeme ako hodnota logická 1 a logická 0. Druhou základnou logickou funkciou je logický súčet OR (alebo), definovaný tak, že funkcia nadobúda hodnotu logická 1, ak má aspoň jedna nezávisle premenná hodnotu logická 1. Poslednou základnou logickou funkciou je negácia INVERT, definovaná tak, že funkcia nadobúda hodnotu logická 1, ak hodnota nezávisle premennej je logická 0 a naopak. Okrem základných logických funkcií používame aj zložené logické funkcie. Tieto však možno rozložiť na základné logické funkcie. Najčastejšie sa používajú nasledujúce zložené logické funkcie. NAND negácia logického súčinu. Funkcia nadobúda hodnotu logická 1, ak má aspoň jedna nezávisle premenná tejto funkcie hodnotu logická 0. NOR negácia logického súčtu. Hodnota funkcie je 1, ak má každá nezávisle premenná tejto funkcie hodnotu logická 0. EXCLUSIVE-OR nonekvivalencia. Funkcia nadobúda hodnotu logická 1 vtedy a len vtedy, ak jedna nezávisle premenná tejto funkcie je logická 1 a druhá nezávisle premenná tejto funkcie je logická 0. IF ak. Funkcia nadobúda hodnotu logická 1 vtedy a len vtedy, ak sú hodnoty nezávisle premenných tejto funkcie súčasne logická 1 alebo logická 0. Logické schémy, logické funkcie a pravdivostné tabuľky základných logických členov a niektorých zložených logických členov sú v tab. 9.1 a tab Pravdivostná tabuľka jednoznačne stanovuje hodnotu funkcie pre všetky možné kombinácie vstupných hodnôt nezávisle premenných. 11

12 Polovodičové prvky n. p. Tesla Rožnov, kremíkové planárne epitaxné obvody TTL radu MH 74, umožňujú realizáciu všetkých základných logických operácií. Sústava obvodov, ktorá sa skladá z niekoľkých hradiel, je vytvorená na jednej kremíkovej platničke a zapuzdrená v puzdre z plastu so 14 alebo 16 vývodmi. Všetky logické integrované obvody pracujú s dvojkovou sústavou v pozitívnej logike, t. j. sú citlivé iba na dva druhy signálov. Hodnota logická 1 predstavuje vstupný signál U\ ^ 2 V, ktorý nesmie byť väčší ako napájacie napätie U cc (typická hodnota 3 V ^ /, ^ 4 V). Hodnote logická 0 zodpovedá signál C/, = 0 až 0,8 V. Typickou vlastnosťou všetkých logických integrovaných obvodov je, že hradia nereagujú na iné amplitúdy vstupných signálov. Výstupný signál U 0 má pri hodnote logická 0 hodnotu U 0 = 0.4 V a pri hodnote logická 1 hodnotu U 0 2: 2.5 V. Pri číslicových integrovaných obvodoch meriame množstvo parametrov, ktoré rozdeľujeme na statické a dynamické. Ako príklad merania statických parametrov číslicových integrovaných obvodov uvádzame meranie niektorých základných jednosmerných parametrov trojvstupového pozitívneho logického člena NAND, ktorý realizuje funkciu negovaného logického súčinu Y =A. B. C. Meranie vstupného prúdu pre logický signál 1 (/ IH ) a 0 (/ :L ) Obidva prúdy meriame pri najväčšom prípustnom napätí zdroja U cc, pre obvody radu MH 74 je to 5,25 V. Na ostatných vývodoch pri meraní vytvoríme najnepriaznivejšie podmienky, t. j. pripojíme ich na logický signál opačnej hodnoty, ako má meraný vstup. Vstupný prúd I m pre logický signál 1 je najväčší prúd, ktorý môže pretekať vstupom do obvodu, ak vstupné napätie má hodnotu log 1, teda U lh = 2,4 až 5,5 V. Meriame v zapojení podľa obr. 9.8 pre obidve krajné hodnoty vstupného napätia, t. j. pre 2,4 V a 5,5 V. Ostatné vstupy sú spojené a pripojené na spoločný vývod. Každý vstup meriame samostatne. Vstupný prúd 7, L pre logický signál Oje najväčší prúd, ktorý vyteká vstupom von z integrovaného obvodu pri vstupnom napätí / IL, ktoré má hodnotu logického signálu 0, t. j. napätie najviac 0,4 V. Prúd I ll sa meria podobne ako /, H, ale s tým rozdielom, že vstupy, ktorých prúd práve nezisťujeme, sú pripojené na kladné napätie 4.5 V. Tiež musíme zmeniť polaritu ampérmetra A, ktorý má mať veľmi malý vnútorný odpor. Obr Meranie vstupného logického člena NAND pre signál log 1 Meranie výstupného napätia pre logický signál 1 (U 0H ) a 0 (U 0L ) Výstupné napätie U QH pre logický signál 1 sa meria tak, že sa postupne vždy jeden zo vstupov pripojí na napätie 0,8 V a ostatné vstupy sa spoja s kladnou svorkou zdroja. Meria sa pri najmenšom prípustnom napätí zdroja U cc = 4,75 V (obr. 9.9a). Výstup sa zaťaží rezistorom, ktorý odoberá predpísanú hodnotu prúdu / L. Výstupné napätie na tomto rezistore nesmie byť menšie ako 2,4 V, čo je najmenšia hodnota pre logický signál 1. Výstupné napätie U 0L pre logický signál 0 sa meria pre všetky vstupy súčasne. Meriame v zapojení podľa obr. 9.9b. Všetky vstupy zapojíme na zdroj s napätím 2,4 V a výstup napájame cez rezistor R 7 s takou hodnotou, aby ním tiekol predpísaný prúd I 7. Tento prúd sa meria ampérmetrom A. Výstupné napätie meriame voltmetrom V 2 (toto napätie nesmie byť väčšie ako 0,4 V, čo je najväčšia hodnota pre logický signál 0). Obr a) Meranie výstupného napätia LV 0L logického člena NAND pre signál log 0 b) Meranie výstupného napätia l/ 0H pre signál log 1 12

13 Priebeh prechodného deja na výstupe číslicového integrovaného obvodu v závislosti od zmeny vstupného signálu možno dostatočne opísať dynamickými parametrami. Pre hradla NAND sa na vstup privedie presne definovaný signál, na ktorý reaguje hradlo s určitým oneskorením. Toto oneskorenie sa definuje dvoma veličinami: časom oneskorenia / d0 signálu pri prechode výstupného napätia z hodnoty log 1 na hodnotu logo a časom oneskorenia / dl signálu pri prechode výstupného napätia z hodnoty logo na hodnotu log 1. Aritmetická stredná hodnota týchto oneskorení sa označuje ako čas oneskorenia číslicového integrovaného obvodu t á (obr. 9.12). Meria sa impulzovým generátorom a osciloskopom Charakteristickou vlastnosťou bipolárneho tranzistora je to, že na ovládanie výstupného výkonu potrebuje určitý vstupný výkon, ktorý pôsobí medzi jeho vstupnými svorkami ako ovládacia veličina. Pre tranzistor ovládaný elektrickým polom je charakteristické to, že jeho výstupný výkon možno ovládať elektrickým nábojom, privedeným na ovládaciu elektródu (hradlo). Ovládacou veličinou je elektrické pole, vyvolané týmto nábojom medzi vstupnými svorkami tranzistora a ovládanie sa uskutočňuje bez privádzania reálneho výkonu. 13

14 Z prvých písmen slov anglického názvu pre tranzistor ovládaný elektrickým polom je zostavená skratka FET, ktorá sa bežne používa na označenie tranzistorov tohto druhu. Druhý názov - unipolárny tranzistor - vyplýva zo skutočnosti, že na vedení prúdu v tranzistore ovládanom elektrickým polom sa zúčastňujú vždy len väcšinové nosiče náboja. Existuje niekoľko druhov tranzistorov ovládaných elektrickým polom, ktoré sa navzájom líšia svojím vnútorným usporiadaním, prebiehajúcimi fyzikálnymi procesmi a obvodovými vlastnosťami. 4 Základné druhy tranzistorov ovládaných elektrickým polom: A. Tranzistor ovládaný elektrickým polom s izolačnou vrstvou (tiež tranzistor ovládaný elektrickým polom typu MIS) a) s indukovaným kanálom, b) s vodivým kanálom. B. Tranzistor ovládaný elektrickým polom s priechodovým hradlom (JFET). V základnom plátku napr. s vodivosťou P sú difúziou vytvorené silne dotované oblasti emitora a kolektora s vodivosťou N +. Povrch plátku je pokrytý vrstvou izolantu hrúbky asi 10-7 m. Na izolačnej vrstve je nanesená kovová ovládacia elektróda G. Z anglického názvu, ktorý opisuje štruktúru tranzistora slovami "kov-izolant-polovodič" vznikli skratky MIS, prípadne MOS, ak je izolačná vrstva vytvorená z oxidu. Tieto skratky sa často spájajú s už "vedenou skratkou FET, takže vznikajú skratkové slová MISFET alebo MOSFET. Princíp činnosti tranzistora s indukovaným kanálom Na tranzistor pripojíme postupne dva vonkajšie zdroje s polaritou, vyznačenou na obrázku. Najskôr pripojíme zdroj medzi kolektor a emitor. Priloženým napätím U CE sa emitorový priechod polarizuje v priamom smere. Tým sa základný plátok vodivo spojí s emitorom a má približne jeho potenciál. Kolektorový priechod je uzavretý. Medzi emitorom a kolektorom tečie preto len malý záverný prúd kolektorového priechodu. Teraz pripojíme vonkajší zdroj U GE medzi ovládaciu elektródu a emitor. Vplyvom kladného napätia na ovládacej elektróde vznikne v izolačnej vrstve elektrické pole, ktoré z oblasti pod izolačnou vrstvou odpudzuje diery a naopak priťahuje elektróny. So zvyšujúcim sa napätím U GE sa zväčšuje koncentrácia elektrónov na úkor dier. Pri prekročení prahového napätia U GE(TO) dosiahnu elektróny v tenkej vrstve pod povrchom plátku prevahu nad dierami. Pre tieto prevládajúce elektróny, ktoré sú voľnými nosičmi, je kolektorový priechod otvorený. Pôsobením elektrostatickej indukcie sa tak vytvorilo medzi emitorom a kolektorom vodivé spojenie, ktoré sa nazýva indukovaný kanál. V tomto prípade má kanál vodivosť N. Koncentrácia elektrónov, ako aj prierez kanála sa zväčšujú so zvyšujúcim sa napätím ovládacej elektródy. Preto vodivosť kanála a tým aj prúd, prechádzajúci kanálom (kolektorový prúd) sa zväčšujú približne s druhou mocninou napätia U GE. Ukazuje to závislosť I C = f(u GE ), meraná pri konštantnom napätí kolektora, ktorá je znázornená na obrázku. Nazýva sa prevodová charakteristika tranzistora MIS s indukovaným kanálom. Priebehy závislosti kolektorového prúdu od kolektorového napätia, merané pri rôznych konštantných napätiach ovládacej elektródy, znázornené na obrázku, sú výstupnými charakteristikami tranzistora. Pri malých napätiach medzi emitorom a kolektorom (rádovo desatiny voltu) sa tranzistor MISFET správa približne ako lineárny odporník, ktorého odpor (R) závisí od napätia U GE. Hovoríme, že tranzistor pracuje v odporovom režime. Voltampérové charakteristiky v odporovej oblasti môžeme v prvom priblížení nahradiť priamkami, ktoré prechádzajú začiatkom. Ich smernice závisia od napätia U GE. Pri určitom napätí U CE je kolektorový prúd už taký veľký, že odčerpá všetky elektróny, ktoré je ovládacia elektróda schopná pri danom napätí U GE pritiahnuť do kanála. Kolektorový prúd je nasýtený a jeho hodnota pri zvyšujúcom sa kolektorovom napätí sa zväčšuje len nepatrne. Hovoríme, že tranzistor pracuje v oblasti nasýteného prúdu. K tomuto tranzistoru sa priraďuje aj komplementárny tranzistor - MISFET s indukovaným kanálom s vodivosťou P, ktorého činnosť je podobná. V jeho štruktúre sú zamenené typy vodivostí všetkých oblastí, nosiče prúdu majú opačné znamienko a vonkajšie zdroje opačnú polaritu. Schematické značky tranzistora MIS s kanálom N i s kanálom P sú nakreslené na obrázku. 14