ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 7

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 7: Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 3

4 Σχεδιασμός ενοτήτων: 1. Ημιαγωγική δίοδος 2. Ένωση pn 3. Τρανζίστορ FET 4. Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα 5. Ενισχυτές με FET 6. Διπολικό τρανζίστορ (BJT) 7. Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα 8. Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορ 9. Ενισχυτές με ενεργό φορτίο 10. Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 4

5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΠΟΛΩΣΗ ΤΩΝ BJT - ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

6 Περιεχόμενα ενότητας 1. Εισαγωγή πόλωση τρανζίστορ BJT (διαφ. 7-9) 2. Επιδράσεις στο σημείο λειτουργίας(διαφ ) 3. Επιλογή σημείου λειτουργίας ευθεία φορτίου κυκλώματα πόλωσης (διαφ ) 4. Καθρέπτες ρεύματος (διαφ ) 5. Συντελεστές σταθερότητας (διαφ ) 6. Ισοδύναμα κυκλώματα (διαφ ) 6

7 Επιλογή σημείου λειτουργίας ή ηρεμίας Q 1. Ευαισθησία παραμέτρων ως προς τη μεταβολή του Q. 2. Πλάτος σήματος εισόδου. 3. Ισχύς που καταναλίσκεται στο τρανζίστορ. 4. Θερμοκρασία περιβάλλοντος λειτουργίας. 7

8 Κύκλωμα κοινού εκπομπού και ευθεία φόρτου i c Vcc c i C V CC /c A Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας V CE I CQ Q Ι Β i B B 0 V CQ V CC υ CE Ι C = βι Β + (β+1) I CO V CC = i C C + υ CE i C = - υ CE / C + V CC / C Ευθεία φόρτου DC 8

9 Σημείο ηρεμίας σε συνδ. κοινού εκπομπού Vcc ma Περιοχή γραμμικής λειτουργίας i c c V CQ V CE I CQ Vcc = 15 V i B Vcc/c = 30 ma c = 500 Ω V CQ V CQ =7 V I CQ = (15-7)/0.5 = 16 ma 9

10 Επίδραση του πλάτους του σήματος εισόδου (1/3) 10

11 Επίδραση του πλάτους του σήματος εισόδου (2/3) 11

12 Επίδραση του πλάτους του σήματος εισόδου (3/3) 12

13 Επίδραση στην κατανάλωση ισχύος P D = I B V BE + I C V CE P D < P MAX 13

14 Επίδραση θερμοκρασίας περιβάλλοντος στο σημείο λειτουργίας (1/2) Mεταβολή του Ι CO I CO qd WN p D A 2 e E g /kt di dt CO E kt g 2 I CO 0,09 I CO / o C στο Γερμάνιο 0 στο Πυρίτιο 14

15 Επίδραση θερμοκρασίας περιβάλλοντος στο σημείο λειτουργίας (2/2) Mεταβολή της V BE I I EO (e qv BE /nkt 1) I EO e qv BE /nkt V BE nkt q (lni lni EO ) V T BE nk q (lni lni EO ) nkt q 1 I EO di dt EO V T BE ne g qt T V BE -1,6 mv / o C στο Γερμάνιο -2 mv / o C στο Πυρίτιο 15

16 Επιλογή σημείου λειτουργίας i B i c Vcc c V CQ V CE i C V CC / c I CQ A Q Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας 0 V υ CEQ V CC CE V C E (sat) B Ι Β V CQ = V CE(sat) + (V CC - V CE(sat) ) / 2 = (V CC + V CE(sat) ) / 2 V CC / 2 I CQ = (V CC - V CQ ) / C V CC / 2 C 16

17 Κύκλωμα πόλωσης ρεύματος βάσης V CC Vcc I B = (V CC - V BE ) / B B c V CQ Για V ΒΕ 0, Ι CO 0 και V CQ V CC /2 ΕΠΙΛΟΓΗ : I B = V CC / 2β C I EF I OUT B = 2β C 17

18 Κύκλωμα πόλωσης εκπομπού (1/2) I1? 1 V CC c Vcc V CQ Eπιλογή σημείου Q στο μέσο της ενεργού περιοχής: V CEQ = V CE(sat) + (V CC - V CE(sat) ) / 2 = (V CC + V CE(sat) ) / 2 V CC / 2 I2 2? E V CQ = V CEQ + I EQ E V CC / 2 + (V CC - V CQ ) E / C I EF I OUT V CQ V 2 CC (1 C E E ) 18

19 Κύκλωμα πόλωσης εκπομπού (2/2) I1? 1 V CC c Vcc V CQ Eπιλογή: V CQ V 2 CC (1 Ι CQ = (V CC - V CQ ) / C Ι ΒQ = (I CQ - (β+1) I CO ) / β C E E ) I2 I EF 2? E I OUT V ΒQ = V BE + (I CQ + I BQ ) E 10 E 2 20 E I 2 = V ΒQ / 2 1 = (V CC - V BQ ) / (I B +I 2 ) 19

20 Ευθεία φορτίου στον ενισχυτή κοινού εκπομπού Vcc V CC = υ CE + i C C + i E E th c V CQ υ CE + i C ( C + E ) υ CE = V CE + υ ce Ε th I B E i C = I C + i c dc V CC V CEQ + I CQ ( C + E ) dc E.Φ. 0 υ ce + i c ( C + E ) ac E.Φ. ac 20

21 Ευθεία φορτίου ac και βέλτιστη επιλογή σημείου ηρεμίας στον ενισχυτή κοινού εκπομπού (1/3) Vcc i c = - ( 1 / ac ) υ ce Vin c + - out C // L s Vs in 2 r in E + - C E L i C - I CQ = - ( 1 / ac ) ( υ CE - V CE ) όταν υ CE = 0, τότε: i Cmax = I CQ + V CE / ac ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΗΜΕΙΟΥ ΗΡΕΜΙΑΣ: i Cmax = 2 I CQ Οπότε: I CQ = V CE / ac 21

22 Ευθεία φορτίου ac και βέλτιστη επιλογή σημείου ηρεμίας στον ενισχυτή κοινού εκπομπού (2/3) i C i C (max) i c = - ( 1 / ac ) υ ce ΑC ευθεία φόρτου i = υ C CE ac V CC C + E I CQ Q(I,V ) CEQ CQ I C = -V CE /( C + E ) + V CC /( C + E ) DC ευθεία φόρτου 0 V CEQ υ CE (max) V CC υ CE 22

23 Ευθεία φορτίου ac και βέλτιστη επιλογή σημείου ηρεμίας στον ενισχυτή κοινού εκπομπού (3/3) V CC = V CEQ + I CQ dc = V CEQ ( 1 + dc / ac ) V CEQ = V CC ( 1 + dc / ac ) ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ Q I CQ = V CC ( ac + dc ) 23

24 Μετατώπιση του Q με το β σε κύκλωμα πόλωσης εκπομπού I1? 1 V CC c Vcc V CQ V CQ = V CC - Ι CQ C = V CC - β C (Ε th - V BE ) / ( th + (β+1) E ) Aν th >> (β+1) E τότε: V CQ = V CC - β C (Ε th - V BE ) / th I2 I EF 2? E I OUT Aν th << (β+1) E τότε: V CQ = V CC - β C (Ε th - V BE ) / (β+1) E Ε th = V CC 2 /( ) th = 1 2 /( ) 0,1 (β+1) E th 0,2 (β+1) E 10 E 2 20 E 24

25 Κύκλωμα πόλωσης συλλέκτη - βάσης V C Vcc C VCC E Eπιλογή VCQ (1 ) 2 C E F I o c V CQ I 0 = I E = (V CC - V CQ ) / C V BQ = I 0 E +V BE I B = (I 0 -I B ) / β - I CO (β+1) / β I E F E I OU T I B = I 0 / (β+1) - I CO F = (V CQ - V BQ ) / I B 25

26 Κύκλωμα πόλωσης κοινής βάσης V CC Vcc I1? 1 c V ΟUT I2 I EF 2? E IN I OUT 26

27 Κύκλωμα πόλωσης κοινού συλλέκτη V CC Vcc I1? 1 I2 2? E V EQ I EF I OUT 27

28 Πόλωση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Πηγές ρεύματος με κύκλωμα «καθρέπτη» ρεύματος (1/3) i C = I S exp(v BE /nv T ) V BE1 = V BE2 = V BE I B1 = I B2 = I B I OUT = I EF - 2I B I EF I C2 = 2I C1 ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΞΟΔΩΝ 28

29 Πόλωση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Πηγές ρεύματος με κύκλωμα «καθρέπτη» ρεύματος (2/3) V CC V BE1 = V BE2 = V BE I B1 = I B2 = I B I OUT = I EF - 2I B I EF I EF I OUT ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΗΓΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 29

30 Πόλωση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Πηγές ρεύματος με κύκλωμα «καθρέπτη» ρεύματος (3/3) Ι B3 = I OUT /β = Ι EF - I C1 I B3 = Ι EF - I C2 = = Ι EF - (I E3-2 I C2 / β) = I C1 = Ι EF - I OUT (β+1)/β + 2 I C1 / β = = Ι EF - I OUT (β+1)/β + 2 (Ι EF - I OUT /β ) / β Wilson I OUT = Ι EF [1-2 / (β 2 + 2β + 2) ] 0 β r 03 /2 (Yψηλή) Μικρή ευαισθησία ως προς τα Ι Β. 30

31 Πόλωση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Πηγές ρεύματος Widlar Ισχύει V BE = V T ln(i C /I S ). Για δύο ίδια τρανζίστορ με i C1 και i C2 θα είναι: V BE1 = V T ln(i C1 /I S ) και V BE2 = V T ln(i C2 /I S ) οπότε: ΔV BE = V BE1 V BE2 = V T [ln(i C1 /I S ) ln(i C2 /I S )] = = V T ln(i C1 /i C2 ). Στο κύκλωμα είναι: V BE1 = V BE2 + I out E ΔV BE = I out E = V T ln(i EF / I out ) Για επιθυμητά I out και I EF υπολογίζεται η τιμή της E. Χρησιμοποιείται για μικρά ρεύματα. Υλοποιείται με μικρές τιμές αντιστάσεων, κατάλληλες για ολοκληρωμένα κυκλώματα. 31

32 Συντελεστής σταθερότητας τάσης S v S V dv CQ dt V V CQ BE V T BE V I CQ CO I T CO T V BE -1,6 mv / o C στο Γερμάνιο -2 mv / o C στο Πυρίτιο T I CO 0,09 I CO / o C στο Γερμάνιο 0 στο Πυρίτιο 32

33 Υπολογισμός συντελεστή S v στο κύκλωμα πόλωσης ρεύματος βάσης I B = (V CC - V BE ) / B Vcc Ι C = βι Β + (β+1) I CO = β (V CC - V BE ) / B + (β+1) I CO B c V CQ V CQ = V CC - Ι CQ C = V CC - β C (V CC - V BE ) / B - (β+1) C I CO S V V V CQ BE V T BE V I CQ CO I T CO S V β B C V T BE (β 1) C I T CO S V = - 0,002 β C / B στο Πυρίτιο 33

34 Υπολογισμός συντελεστή S v στο κύκλωμα πόλωσης εκπομπού (1/3) V CC Vcc Vcc I1? 1 c V CQ th c V CQ I B I2 I EF 2? E I OUT Ε th E Ε th = V CC 2 /( ) th = 1 2 /( ) 34

35 Υπολογισμός συντελεστή S v στο κύκλωμα πόλωσης εκπομπού (2/3) Vcc V CQ = V CC - Ι CQ C th c V CQ Ι C = βι Β + (β+1) I CO I B I B = (Ε th - V BE - I Ε E ) / th Ε th E I Ε = I Β + Ι C = (β+1) Ι Β + (β+1) I CO I B Ε th = V CC 2 /( ) th = 1 2 /( ) I B = Ε th - V BE - E (β+1) I CO th + (β+1) E 35

36 Υπολογισμός συντελεστή S v στο κύκλωμα πόλωσης εκπομπού (3/3) V CQ = V CC - β C Ε th - V BE th + (β+1) E - C (β+1) I CO ( th + E ) th + (β+1) E S V V V CQ BE V T BE V I CQ CO I T CO S V = β C V BE C (β+1) ( th + E ) th + (β+1) E T th + (β+1) E T I CO S V = - 0,002 β C / ( th + (β+1) E ) στο Πυρίτιο 36

37 Το τρανζίστορ ως δίθυρο (ή τετράπολο) (1/4) + V1 - I1 ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ I2 + V2 - Ζ- Παράμετροι: V 1 = z 11 I 1 + z 12 I 2 V 2 = z 21 I 1 + z 22 I 2 z 11 = V 1 / I 1 z 12 = V 1 / I 2 με I 2 = 0 (έξοδος ανοικτοκυκλωμένη) με I 1 = 0 (είσοδος ανοικτοκυκλωμένη) 37

38 Το τρανζίστορ ως δίθυρο (ή τετράπολο) (2/4) + V1 - I1 ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ I2 + V2 - Υ - Παράμετροι: I 1 = y 11 V 1 + y 12 V 2 I 2 = y 21 V 1 + y 22 V 2 y 11 = I 1 / V 1 με V 2 = 0 (έξοδος βραχυκυκλωμένη) y 12 = I 1 / V 2 με V 1 = 0 (είσοδος βραχυκυκλωμένη) 38

39 Το τρανζίστορ ως δίθυρο (ή τετράπολο) (3/4) + V1 - I1 ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ I2 + V2 - h - Παράμετροι: V 1 = h 11 I 1 + h 12 V 2 I 2 = h 21 I 1 + h 22 V 2 h 11 = V 1 / I 1 με V 2 = 0 (έξοδος βραχυκυκλωμένη) h 12 = V 1 / V 2 με I 1 = 0 (είσοδος ανοικτοκυκλωμένη) 39

40 Το τρανζίστορ ως δίθυρο (ή τετράπολο) (4/4) + V1 - I1 ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ I2 + V2 - h - Παράμετροι σε συνδ. κοινού εκπομπού: V 1 = h ie I 1 + h re V 2 I 2 = h fe I 1 + h oe V 2 40

41 Υβριδικό π ισοδύναμο του τρανζίστορ B 1 MΩ r b c Ω r bb b C b c C i b r b e = (β+1) r d = r b e β i b C d C b e gm V b e r ce > 40 kω = (β+1) nv T / I E E Διαγωγιμότητα g m = di c /dυ BE = a/r d 41

42 T-ισοδύναμο του τρανζίστορ 42

43 Ισοδύναμο κύκλωμα pnp τρανζίστορ στο πρόγραμμα SPICE 43

44 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Χατζόπουλος Αλκιβιάδης. «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι, Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 2015 Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 44

45 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Μη Εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο [1] ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 45

46 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, Εαρινό εξάμηνο 2015