2 η ενότητα ΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΤΙΣ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ

Transcript

1 ρ. Λάμρος Μισδούνης Καθηγητής 2 η ενότητα ΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΤΙΣ ΥΨΗΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 1

2 Περιεχόμενα 2 ης ενότητας Στην δεύτερη ενότητα θα ασχοληθούμε με τη λειτουργία των τρανζίστορ, ου αοτελούν τις ενεργές βαθμίδες των ενισχυτών, στις υψηλές συχνότητες. H ενότητα αντιστοιχεί στο κεφάλαιο 2 βασικού βιβλίου (τα τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες). Το -ισοδύναμο μοντέλο του διολικού τρανζίστορ ου εριγράφει ικανοοιητικά τη λειτουργία του διολικού τρανζίστορ και στην εριοχή των υψηλών συχνοτήτων. Τροοοιημένο κατά Miller -ισοδύναμο μοντέλο διολικού τρανζίστορ. Το -ισοδύναμο μοντέλο του διολικού τρανζίστορ στις χαμηλές συχνότητες. Ενίσχυση ρεύματος διολικού τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες. Ισοδύναμο μοντέλο του MOSFET στις υψηλές συχνότητες. Συμεράσματα και ασκήσεις. T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 2

3 Εισαγωγή: τρανζίστορ και υψηλές συχνότητες Στην ροηγούμενη ενότητα μελετήσαμε τη συμεριφορά των ενισχυτών στην εριοχή των μεσαίων συχνοτήτων. Για το σκοό αυτό δημιουργήσαμε για το διολικό τρανζίστορ, το υβριδικό h- ισοδύναμο μοντέλο, τα στοιχεία του οοίου έχουν συμεριφορά ανεξάρτητη αό τη συχνότητα. Η αόκριση συχνότητας των ενισχυτών με βάση το υβριδικό h-ισοδύναμο μοντέλο ροκύτει σταθερή, ενώ στην ράξη αρατηρείται μείωση της ενίσχυσης στις υψηλές συχνότητες. Εομένως, το υβριδικό h-ισοδύναμο μοντέλο αοτυγχάνει να εριγράψει τη συμεριφορά του διολικού τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες, λόγω της αγνόησης της χωρητικής συμεριφοράς των εαφών του τρανζίστορ. Ένα νέο μοντέλο (-ισοδύναμο) του διολικού τρανζίστορ χρησιμοοιείται για την εριγραφή της συμεριφοράς του στοιχείου στις υψηλές συχνότητες, το οοίο διατηρεί την συμεριφορά ελεγχόμενης ηγής ρεύματος, αλλά λαμβάνει υόψη και τα χωρητικά αρασιτικά στοιχεία του τρανζίστορ. T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 3

4 -ισοδύναμο μοντέλο διολικού τρανζίστορ BE, χωρητικότητα ορθά ολωμένης εαφής βάσης-εκομού και χωρητ/τα φόρτισης βάσης ου οφείλεται στη μεταβολή ου υφίστανται οι φορείς λειονότητας του εκομού στην εριοχή της βάσης. Εξαρτάται αό I, V BE. μ χωρητικότητα ανάστροφα ολωμένης εαφής βάσης-συλλέκτη (εξαρτάται αό την V B ). Είσης, οι αραάνω χωρητικότητες εξαρτώνται και αό τη χωρητικότητα και το δυναμικό τωνεαφώνμεμηδενικήόλωση. r b c : αντίσταση ανάστροφα ολωμένης εαφής βάσης-συλλέκτη. r x : αντίσταση της εριοχής βάσης, r o : αντίσταση εξόδου της βαθμίδας. g m : διαγωγιμότητα του τρανζίστορ. r : αντίσταση της ορθά ολωμένης εαφής βάσης-εκομού. T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 4

5 -ισοδύναμο μοντέλο διολικού τρανζίστορ Η r bc είναι ολύ μεγάλη και θεωρούμε ότι λαμβάνει άειρη τιμή, με αοτέλεσμα να αλοοιείται το -ισοδύναμο μοντέλο. V T : θερμική τάση (26 mv στους 300 ο Κ) V AF : τάση Early T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 5

6 Τροοοιημένο κατά Miller -ισοδύναμο μοντέλο Με βάση το θεώρημα τάσεων του Miller, η χωρητικότητα μ χωρίζεται σε δύο χωρητικότητες συνδεδεμένες αράλληλα στην είσοδο και στην έξοδο: T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 6

7 Τροοοιημένο κατά Miller -ισοδύναμο μοντέλο R L : ισοδύναμη αντίσταση φορτίου ου «βλέει» ο συλλέκτης (R L R L // r o ) T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 7

8 -ισοδύναμο στις χαμηλές και μεσαίες συχνότητες i b v 1 v 2 i c Στις χαμηλές και μεσαίες συχνότητες, η είδρασητων εσωτερικών αρασιτικών χωρητικοτήτων είναι αμελητέα, οότε μορούμε να τις αγνοήσουμε και να καταλήξουμε στο γραμμικό ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ. (1) i c gm v b'e gm v1 gm r i b (2) i c h fe i b (3) Αλοοιημένο γραμμικό υβριδικό h-ισοδύναμο ου χρησιμοοιήθηκε στην 1η ενότητα ή g m v 1 h fe (1), (2), (3) gm r g m h ie T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 8

9 Ενίσχυση ρεύματος στις υψηλές συχνότητες Η ενίσχυση ρεύματος ενός στοιχείου εριορίζεται στις υψηλές συχνότητες λόγω της δράσης των αρασιτικών χωρητικοτήτων. Η ενίσχυση ρεύματος δίνεται αό το λόγο του ρεύματος συλλέκτη (με βραχυκυκλωμένο το συλλέκτη) ρος το ρεύμα βάσης. Σύνθετη αντίσταση ου εισάγεται λόγω των αρασιτικών χωρητικοτήτων και χρησιμοοιείται κατά την ανάλυση του κυκλώματος: Z eq 1 jω eq ω j eq T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 9

10 Ενίσχυση ρεύματος στις υψηλές συχνότητες i i i r + i eq v r + v v b'e b'e b'e Z 1+ jωr ( + eq r μ ) i i Ανώτερη συχνότητα αοκοής Στις υψηλές συχνότητες (ω >> ω β ) όου ο φανταστικός όρος του αρανομαστή είναι ολύ μεγαλύτερος του 1, το 1 του αρανομαστή εξαλείφεται. βο j( ω ω β ) 1 ω β ο ω β r βο ( + μ ) gm + μ ω Τ Συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 10

11 Ενίσχυση ρεύματος στις υψηλές συχνότητες β( jω) 1 2 β o + ω ω β 2 ω ω Μέτρο ενίσχυσης ρεύματος σε db: 20 log β( jω) ω 0 β(jω) β ω ω 20 logβ βo β(jω) 2 db ( 20 logβ 3) T β ο ο db β(jω) 1 0dB o T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 11

12 Παράδειγμα 1 ο : -ισοδύναμο μοντέλο Για τον ενισχυτή του σχήματος ροσδιορίστε τα στοιχεία του αλοοιημένου -ισοδύναμου μοντέλου του τρανζίστορ (g m,, μ ) και τη συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης. ίνονται: θερμική τάση 26mV, χωρητικότητα ορθά ολωμένης εαφής βάσης-εκομού ( j ) 50pF, χωρητικότητα φόρτισης βάσης ( b ) 11pF, χωρητικότητα ανάστροφα ολωμένης εαφής βάσης-συλλέκτη 3.75pF, h fe β 178, V BE 0.665V. T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 12

13 Παράδειγμα 1 ο : -ισοδύναμο μοντέλο Ανάλυση λειτουργίας στο συνεχές για τον υολογισμό του ρεύματος συλλέκτη: R B 1 2 R // R kω R 2 VB V 1.56V R + R 1 2 V V B B I I B B R R B B + + V V BE BE + I + βi R Β E R E I I B β I 8.55μA B 1.52 ma T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 13

14 Παράδειγμα 1 ο : -ισοδύναμο μοντέλο h fe g r m j + b 61pF 3.75pF μ ' eq + μ(1 + gmr L) 240pF R ' L R // R 0.8kΩ L T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 14

15 Ισοδύναμο μοντέλο MOSFET υψηλών συχνοτήτων g m gd Περιοχή κόρου: 2 3 gd ox + gdo W gso W ds : ολύ μικρή gdo, gso : χωρητικότητες εικάλυψης, ox : χωρητικότητα οξειδίου ύλης, W: λάτος καναλιού του τρανζίστορ g 2I D m 2β(1 + λvds) ΙD 2 VGS VT βι D 1 r o β 2 2 D ( V V ) λ λ ID GS T λ I 1+ λv DS T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 15

16 Συμεράσματα Το -ισοδύναμο μοντέλο είναι κατάλληλο να εριγράψει τη λειτουργία του διολικού τρανζίστορ στις υψηλές συχνότητες. Οι αράμετροι του μοντέλου εξαρτώνται άμεσα αό την όλωση του τρανζίστορ. Οι αρασιτικές χωρητικότητες του διολικού τρανζίστορ είναι αυτές ου ευθύνονται για τον εριορισμό της λειτουργίας του τρανζίστορ ως ενισχυτική βαθμίδα στις υψηλές συχνότητες. είκτης της αξίας των τρανζίστορ όσον αφορά τη λειτουργία τους στις υψηλές συχνότητες είναι η συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης (f T ). Το ισοδύναμο μοντέλο MOSFET για υψηλές συχνότητες εριλαμβάνει τις αρασιτικές χωρητικότητες ύλης-ηγής, ύλης-ααγωγού και ααγωγούηγής ου είναι υεύθυνες για τον εριορισμό της λειτουργίας του MOSFET στις υψηλές συχνότητες. T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 16

17 Ασκήσεις 2 ης ενότητας T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 17

18 Άσκηση 1 η ιολικό τρανζίστορ έχει τις εξής αραμέτρους: β h fe 256, V T 26 mv, τάση Early 74 mv, j 31.5 pf, b 15.9 pf, μ 3.55 pf, r x 10 Ω. Εάν στο σημείο ηρεμίας I 2 ma, να υολογιστούν οι άγνωστες αράμετροι του -ισοδύναμου μοντέλου και του ισοδύναμου κατά Miller μοντέλου του τρανζίστορ, καθώς και η συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης. g I hfe 38.6mS r 6.6K V g m T m r o VAF 37kΩ I r b, c r h 19 MΩ o fe j + b 47.4 pf eq + μ(1 + gmro ) 5.12 nf f 1 2 ( g + m T μ ) 116 MHz T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 18

19 Άσκηση 2 η ιολικό τρανζίστορ έχει για συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας του τις εξής αραμέτρους: r x 100 Ω, r 1 ΚΩ, 1000 pf, g m 50mS, μ και r o αμελητέα. Να υολογίσετε τη μεταβολή του β i c / i b του τρανζίστορ συναρτήσει της συχνότητας και να χαράξετε την αντίστοιχη καμύλη. Προσδιορίστε τη συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης (f T ) του τρανζίστορ. i g v g Z i c m b e m b Z r // 1+ r jr ω ω β 1 r β ω β 10 6 rad/sec ο β ic ic 50 ( jω) gmz β( jω) i i j ω g m r ω T 50 b rad/ sec T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 19 b 1 6 ft Hz 8MHz 2

20 Άσκηση 2 η β( jω) ω ω β ω ω β 20 logβ β( jω) T o β 2 34dB 31dB β( jω) 1 0dB o ο logω logω Τ β T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 20

21 Τέλος 2 ης ενότητας T.E.I. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 21