Poluprovodničke komponente -prateći materijal za računske i laboratorijske vežbe-

Transcript

1 Aneta Prijić Poluprovodničke komponente -prateći materijal za računske i laboratorijske vežbe- Studijski program Mikroelektronika i mikrosistemi (IV semestar)

2 Označavanje jednosmernih i naizmeničnih veličina Jednosmerne veličine označene su velikim slovima, kao i njihovi indeksi; Naizmenične veličine označene su malim slovima, kao i njihovi indeksi; Ukupne veličine označene su malim slovima, a njihovi indeksi velikim slovima. Primer: V IN - jednosmerni ulazni napon v in -naizmenični ulazni napon v IN =V IN +v in - ukupni ulazni napon

3 Naponski i strujni izvori Izvori konstantne vrednosti - baterija - naponski izvor (idealan) - naponski izvor (realan) - strujni izvor (idealan) - strujni izvor (realan) R S unutrašnja otpornost izvora

4 Kontrolisani izvori Naponom kontrolisan naponski izvor (A V v S ) A V - naponsko pojačanje Strujom kontrolisan strujni izvor (A I i S ) A I - strujno pojačanje Strujom kontrolisan naponski izvor (R M i S ) R M - transrezistansa Naponom kontrolisan strujni izvor (G M v S ) G M - transkonduktansa

5 Osnovne poluprovodničke komponente Diode Opšte namene (uglavnom ispravljačke) Zener (stabilizatori napona) Varikap (promenljive kapacitivnosti) Šotkijeve (brze prekidačke) LED (Light-Emitting Diode) Fotodiode Tunel diode Diode kao izvori konstantne struje

6 Bipolarni tranzistori (BJT-bipolar junction transistor) NPN PNP MOSFET tranzistori NMOS PMOS

7 Diode Direktna polarizacija -Pozitivan pol napajanja na anodi, negativan na katodi; - Napon polarizacije mora da je veći od ugrađenog potencijala V bi (0,7 V za Si); - Struju čine većinski nosioci; - Oblast osiromašenja se sužava; - Normalan režim rada: prekidačkih, Šotkijevih, LED, tunelskih i dioda kao izvora konstantne struje. Inverzna polarizacija -Pozitivan pol napajanja na katodi, negativan na anodi; - Napon polarizacije mora da je manji od probojnog napona; -Nema struje većinskih nosilaca, manjinski nosioci daju zanemarivo malu inverznu struju ; - Oblast osiromašenja se proširuje; - Normalan režim rada: prekidačkih, Zenerovih, varikap, Šotkijevih i fotodioda.

8 Električni modeli dioda Idealan model I direktna polarizacija F VBIAS = ; VF = 0V R L inverzna polarizacija I = 0A; V = V R R BIAS

9 Praktičan model I F direktna polarizacija VBIAS VF = ; VF = 0.7V R L inverzna polarizacija I = 0A; V = V R R BIAS

10 Realan model direktna polarizacija VBIAS 0.7V I = ; V = 0.7V+ I r R + r F F F d L d inverzna polarizacija I R V r V = ; VR = R + r R + r BIAS R BIAS L R L R

11 Model Zener diode rad u oblasti proboja idealan praktičan Za V Z < 5V Zenerov proboj (meko koleno karakteristike) Za V Z > 5V lavinski proboj (oštro koleno karakteristike)

12 Tehničke specifikacje (Datasheet-ovi) dioda Ispravljačke diode primer 1N4007 Zenerove diode primer BZX55 Varikap diode primer MV209 (BB109)

13 Bipolarni tranzistori NPN PNP

14 Izlazne (kolektorske) strujno-naponske karakteristike Zavisnost I C =f(v CE ); parametar je struja baze I B NPN PNP NORMALNA AKTIVNA OBLAST LINEARNA OBLAST

15 Model tranzistora za jednosmerne signale u aktivnoj oblasti rada NPN PNP V BE =0.7V V BE =-0.7V I C =β DC I B I E =I C +I B I C =α DC I E β DC =f(i C,T) DC strujno pojačanje

16 Tehničke specifikacije (Datasheet-ovi) BJT-a NPN primer 2N3904 PNP primer 2N3906 Komplementarni tranzistori uparene karakteristike h FE =β DC

17 BJT kao prekidač Otvoren prekidač Tranzistor zakočen (V BE <0.7 V; V BC <0.7V); Struje I C,I B,I E =0 V CE određen ostalim elementima kola Zatvoren prekidač Tranzistor u zasićenju V CE =V CE(sat) V BE 0.7 V I C,I B,I E određene elementima kola pri čemu važi I C β DC I B

18 BJT kao pojačavač Radna tačka (vrednosti I C, V CE ) u normalnoj aktivnoj oblasti I C =β DC I B i c =h FE i b Polarizacija tranzistora - postavljanje radne tačke: Preko naponskog razdelnika Preko baze Preko emitora (zahteva negativan izvor napajanja) Preko povratne sprege u emitoru Preko povratne sprege u kolektoru

19 Polarizacija preko naponskog razdelnika (dobra stabilnost sa jednim izvorom napajanja, poželjne što manje vrednosti otpornosti) NPN IN DC E R = β R R R 10 R ; V = V 2 IN 2 B CC R1+ R2 R R R < 10 R ; V = V 2 IN IN 2 B CC R1+ R2 RIN V = V V E B BE V = V R I I I I C CC C C E C B V = R E E IE IC = β DC

20 PNP V B = R R1 + R 1 2 V EE V = V + V V I I I E B BE C C C E C B = R I V = IE I = β EE C V R DC E E

21 Polarizacija preko baze (česta u prekidačkim kolima, zavisna od β DC ) V V E B = 0V BE C CC C C B CC B C DC B E = V V = V R I I I I = V = β I C V R I BE

22 Polarizacija preko povratne sprege u emitoru (smanjena zavisnost od β DC ) V E E E B E BE C CC C C E C B I R V = V + V V = V R I I I I = = = R I E β V CC BE E B DC V + CC R V R V β BE + R DC E B

23 Polarizacija preko povratne sprege u kolektoru (temperaturno stabilna) V V E B = 0V BE V = V ( β + 1) R I I I I C CC DC C B B C DC B E = V = R = β I C V CC V BE (1 + β ) + R C DC B I

24 Indikator sa NPN tranzistorom i BLUE LED-om (tranzistor kao prekidač) Indikator stanja Napon na ulazu - impulsni sa vrednostima 0 i 5V u trajanju od po 1s Kada je na ulazu napon 5V LED svetli, a kada je 0V LED ne svetli Iskorišćen je plavi LED koji svetli punim intenzitetom pri struji od 20mA, pri čemu je pad napona na njemu 3.8V. Odrediti vrednosti otpornika R1 i R2 koje obezbeđuju ispravno funkcionisanje kola.

25 Indikator sa PNP tranzistorom i RED LED-om (tranzistor kao prekidač) Indikator stanja Napon na ulazu - impulsni sa vrednostima 0 i 5V u trajanju od po 1s Kada je na ulazu napon 0V LED svetli, a kada je 5V LED ne svetli. Iskorišćen je crveni LED koji svetli punim intenzitetom pri struji od 20mA, pri čemu je pad napona na njemu 1.8V. Odrediti vrednosti otpornika R1 i R2 koje obezbeđuju ispravno funkcionisanje kola.

26 Senzor temperature sa NPN-om NPN tranzistorom i senzorom temperature KTY je omogućena povratna sprega za kontrolu izvora zagrevanja Otpornost senzora u zavisnosti od temperature okoline - Tc (u C) može se aproksimirati relacijom R1=1.7KΩ+10.5Ω/ C Tc Promena temperature okoline se reflektuje na vrednost napona na kolektoru tranzistora koja se koristi za kontrolu izvora zagrevanja Odrediti za koji opseg temperatura se može koristiti ovo kolo ako se izvor zagrevanja kontroliše naponima u opsegu (3.5V 5V).

27 Senzor temperature sa PNP-om PNP tranzistorom i senzorom temperature KTY je omogućena povratna sprega za kontrolu izvora hlađenja Otpornost senzora u zavisnosti od temperature okoline - Tc (u C) može se aproksimirati relacijom R3=1.7KΩ+10.5Ω/ C Tc Promena temperature okoline se reflektuje na vrednost napona na kolektoru tranzistora koja se koristi za kontrolu izvora hlađenja Odrediti za koji opseg temperatura se može koristiti ovo kolo ako se izvor hlađenja kontroliše naponima u opsegu (4V 6V).

28 Pojačavači sa BJT-om Polarizacijom tranzistora određeni su DC uslovi rada (radna tačka). Varijacije struje i napona oko radne tačke nastaju kao posledica ulaznog AC signala. Amplituda ulaznog signala je pojačana. Ukoliko su amplitude ulaznog signala male u poređenju sa vrednostima DC polarizacije radi se o pojačavaču malih signala (small-signal amplifier).

29 AC veličine V CE - DC vrednost signala v ce - AC vrednost signala v CE =V CE +v ce - ukupna vrednost signala V ce(avg) - srednja vrednost AC signala V ce(rms) - efektivna vrednost AC signala V ce(peak) - vršna vrednost AC signala V ce(peak-to-peak) - opseg vrednosti AC signala

30 Linearni pojačavač Izlazni signal je linearno proporcionalan ulaznom signalu bez izobličenja C 1 i C 2 coupling kondenzatori Struja kolektora prati promene struje baze Napon na bazi i napon na kolektoru su u protivfazi

31

32 Izobličenje izlaznog signala

33

34

35

36 Modeli tranzistora za naizmenične signale u aktivnoj oblasti rada r parametri α ac = I c(rms) /I e(rms) β ac = I c(rms) /I b(rms) r e unutrašnja otpornost emitora r b unutrašnja otpornost baze r c unutrašnja otpornost kolektora r dinamičke otpornosti (dv/di) β DC = I C /I B (u radnoj tački) β ac = I C / I B (u okolini radne tačke)

37 Model tranzistora preko r parametara Opšti model Uprošćeni model r e =kt/qi E r e 25mV/I E r c ~100KΩ r b malo

38 h parametri Tehnička dokumentacija proizvođača specificira h parametre koje je relativno lako izmeriti: h i ulazna impedansa (otpornost) pri kratkospojenom izlazu h r naponska povratna sprega pri otvorenom ulazu h f strujno pojačanje u direktnom režimu - pri kratkospojenom izlazu h o izlazna admitansa (provodnost) - pri otvorenom ulazu Drugi indeks specificira konfiguraciju pojačavača u kojoj se tranzistor nalazi: e zajednički emitor; c zajednički kolektor; b zajednička baza Npr: h ie ; h re ; h fe ; h oe

39 Veza između h i r parametara α ac =h fb β ac =h fe r e =h re /h oe r c =(h re +1)/h oe r b =h ie -h re (1+h fe )/h oe

40 Pojačavač sa zajedničkim emitorom CE pojačavač

41 Napajanje preko naponskog razdelnika Ulaz na bazi, izlaz na kolektoru tranzistora Svi kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale C 1, C 3 - coupling kondenzatori (C 1 povezuje ulazni signal sa DC naponom na bazi, C 3 razdvaja izlazni signal od DC napona na kolektoru) C 2 bypass kondenzator (vezuje emitor na uzemljenje za AC signale) izlazni i ulazni signali su u protiv-fazi (fazni pomeraj 180 )

42 DC analiza Ekvivalentno kolo R = β R IN DC E R R 10 R ; V = V 2 IN 2 B CC R1+ R2 R R R < 10 R ; V = V 2 IN IN 2 B CC R1+ R2 RIN V = V V E B BE V = V R I I I I C CC C C E C B V = R E E IE IC = β DC

43 AC analiza Kondenzatori C 1, C 2 i C 3 su zamenjeni kratkim spojem DC izvor je zamenjen uzemljenjem Crveno AC uzemljenje AC i stvarno uzemljenje se u električnom smislu posmatraju kao jedinstvena tačka Emitor je uzemljen preko kondenzatora C 2

44 AC ulazni signal ï R s otpornost izvora R 1 7 R 2 - otpornost napajanja R in(base) ulazna otpornost BJT-a sa strane baze R in(tot) = R 1 7 R 2 7 R in(base) - ulazna otpornost CE pojačavača Poželjno što veće R in(tot) v in =(R in(tot) /R s +R in(tot) )v s za R s «R in(tot) fl v in v s

45 Ulazna otpornost BJT-a sa strane baze Na osnovu r parametarskog modela tranzistora R v i i e in( base) b c e e b e ac R R = i i i r in( base) in( base) V in = = β = = I i e β in ir e e β r ac e ac v i b b

46 Izlazna otpornost CE pojačavača Otpornost posmatrana sa strane kolektora R out = R C 7 r c R C «r c fl R out R C

47 Naponsko pojačanje CE pojačavača vout Av = vin v = i R = α i R i R vin = iere ir e C Av = ir e e R A = out c C ac e C e C C v re Znak ukazuje da dolazi do okretanja faze izlaznog signala u odnosu na ulazni Ukupno pojačanje uključuje i slabljenje usled konačne otpornosti izvora A ' v vout vout vin R R C in( tot ) = = = v v v r R + R s in s e in( tot) s

48 Uticaj bypass kondenzatora na naponsko pojačanje CE pojačavača Efektivno vezuje emitor na uzemljenje za AC signale Vrednost mora da je dovoljno velika tako da je njegova reaktansa u radnom opsegu učestanosti veoma mala u odnosu na R E (obično10x C R E ) Bez bypass kondenzatora A v RC = r + R e E

49 Uticaj opterećenja na naponsko pojačanje CE pojačavača Opterećenje R L je vezano preko coupling kondenzatora C 3 R = R R = A c C L v R = r e c RR C L R + R C L Za malo R L flr c <R C pojačanje je smanjeno Za R L ár C flr c R C opterećenje nema uticaja na pojačanje

50 Stabilnost naponskog pojačanja CE pojačavača Mera promene vrednosti naponskog pojačanja pri promeni temperature i za različite vrednosti β tranzistora. Bypass kondenzator obezbeđuje maksimalnu vrednost A v =-R C /r e ; r e =f(t, I E ) fl A v =f(t). Bez bypass kondenzatora A v =-R C /(R E +r e ). Smanjeno pojačanje, manje zavisno od r e. Za R E ár e fl A v -R C /R E ; A v f(t). Kompromis prevladavanje uticaja r e bez smanjenja vrednosti naponskog pojačanja na minimum delimičnim premošćavanjem (bypass-om) otpornosti R E.

51 Oba otpornika utiču na DC napajanje (R E1 +R E2 ). Na naponsko pojačanje utiče samo R E1 : A v =-R C /(r e +R E1 ) Za R E1 10r e fl A v -R C /R E1 Sa delimičnim premošćavanjem R E ulazna AC otpornost BJT-a je: R in(base) =β ac (r e +R E1 )

52 Strujno pojačanje CE pojačavača Zavisi od strujnog pojačanja i ulazne otpornosti BJT-a. (R L ) A β i in in ac i = = i c c b in b in c b in( base) s i i i i ib R R = i R R + R i = i = i R + v s R in( tot) A i = β ac R R R R + R in( base)

53 Pojačanje snage CE pojačavača Proizvod ukupnog naponskog i strujnog pojačanja A p =A v A i A ' v vout vout vin R R C in( tot ) = = = v v v r R + R s in s e in( tot) s A i = β ac R R R R + R in( base)

54 Pojačavač sa zajedničkim kolektorom CC pojačavač (emitter-follower EF) Kolo sa napajanjem preko naponskog razdelnika

55 Osnovne karakteristike CC pojačavača Kolektor je na AC uzemljenju. Ulaz je na bazi, izlaz je na emitoru. Nema promene faze između ulaza i izlaza. Maksimalno naponsko pojačanje je 1. Ulazna otpornost je velika, izlazna otpornost je mala. Coupling kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale. Koristi se kao interfejs između kola sa velikom izlaznom otpornošću i niskootpornog opterećenja naponski bafer

56 DC analiza Ekvivalentno kolo R = β R IN DC E R R 10 R ; V = V 2 IN 2 B CC R1+ R2 R R R < 10 R ; V = V 2 IN IN 2 B CC R1+ R2 RIN V = V V V I I I E B BE C E C B = V V = R CC E E IE IC = β DC

57 AC analiza r e 25mV = I E R = β ( r + R R ) in( base) ac e E L R = R R R in( tot ) 1 2 in( base) R s Rout = RE ( R1, R2 RS ) βac A A v i RE RL = 1 r + R R e E L = ( β + 1) ac R R R R + R in( base) Ap = AA v i Ai

58 Darlingtonov par Koristi se za povećanje ulazne otpornosti β = β β R ac ac1 ac2 in ac1 ac2 E ( r R ) e = β E β R

59 Sziklai-jev par (komplementarni Darlingtonov par) Kombinacija npn i pnp tranzistora β = β β R ac ac1 ac2 in ac1 ac2 E ( r R ) e = β E β R Zahteva manji napon uključenja Koristi se u kombinaciji sa Darlingtonovim parom u izlaznim stepenima pojačavača snage.

60 Pojačavač sa zajedničkom bazom CB pojačavač Kolo sa napajanjem preko naponskog razdelnika.

61 Osnovne karakteristike CB pojačavača Baza je na AC uzemljenju. Ulaz je na emitoru, izlaz je na kolektoru Nema promene faze između ulaza i izlaza. Maksimalno strujno pojačanje je 1. Ulazna otpornost je mala, izlazna otpornost je velika. Coupling kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale. Koristi se u kolima gde izvori imaju izrazito malu unutrašnju otpornost

62 DC analiza Ekvivalentno kolo R = β R IN DC E R R 10 R ; V = V 2 IN 2 B CC R1+ R2 R R R < 10 R ; V = V 2 IN IN 2 B CC R1+ R2 RIN V = V V E B BE V = V R I I I I C CC C C E C B V = R E E IE IC = β DC

63 AC analiza r R = r ( R r ) RC RL Av = ( RE re) r A i e 25mV = I in( emitter ) e E e R = R ( R r ) 1 E out C C c A = A A A e p v i v

64 Višestepeni pojačavači Više kaskadno povezanih pojačavača Svaki pojačavač predstavlja jedan stepen Povećava se ukupno naponsko pojačanje Kapacitivno povezani stepeni nema međusobnog uticaja DC polarizacije prolaz AC signala bez slabljenja Direktno povezani stepeni A v =A v1 A v2 A vn dobar odziv pri niskim učestanostima osetljivost na promene vrednosti DC napajanja (usled promene temperature ili varijacija napona izvora)

65 Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač sprega preko C 3 β ac =225

66 DC analiza Oba stepena identična RIN = βdcr4 = βdcr8 = 225kΩ R 10 R ;10R IN 2 6 R R V = V = V = 1.75V 2 6 B CC CC R1+ R2 R5 + R6 V = V V = 1.05V I I E B BE E C VE VE = = = 1.05mA R R I E 4 8 V = V R I = V R I = 5.07V C CC 3 C CC 7 C

67 AC analiza Drugi stepen standardan CE pojačavač r e 25mV = = 23.8 Ω I R = β r = 5.355kΩ in( base2) E ac e R = R = R R R = 3.25kΩ in( tot 2) L1 5 6 in( base2) R A = = 197 ( R r ) 7 v2 8 re e

68 Prvi stepen njegovo opterećenje je drugi stepen r e 25mV = = 23.8 Ω I R = β r = 5.355kΩ in( base1) E ac e R = R R R = 3.25kΩ in( tot1) 1 2 in( base1) Ukupno naponsko pojačanje A A R R = = 3 in( tot 2) v re vout = = A 1A 2 = = v v v v in

69 Signali A v1 =85

70 A v2 =174

71 A v =v out /v in A v =14730 A v =A v1 A v2 =14790

72 Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač sa komplementarnim tranzistorima (audio pretpojačavač)

73 Signali A v =v out /v in A v =20

74 Pojačavači snage Pojačavači velikih signala. Cilj je prenos maksimalne snage opterećenju (reda 1W i više) - komponente moraju da podnesu veliku disipaciju tj. da se obezbedi odvođenje toplote. Pojačanje snage: A p =P L /P in =A v2 (R in /R L ) 4 klase zavisno od dela ulaznog signala za koji pojačavač radi u linearnoj oblasti (klasa A, klasa B, klasa AB i klasa C). Svaka klasa ima jedinstvenu konfiguraciju kola. Koriste se kao izlazni stepeni komunikacionih prijemnika i predajnika kako bi se obezbedila dovoljna snaga signala zvučnika ili antene.

75 Pojačavači klase A Celokupan rad u linearnoj oblasti izlazni signal je uvećana kopija ulaznog signala (uz postojanje inverzije). Maksimalna vrednost izlaznog signala - kada je radna tačka na sredini radne prave. Razmatrani pojačavački stepeni sa BJT (ZE, ZC, ZB) se odnose na klasu A.

76

77 Snaga mirne radne tačke (kada nema AC signala) maksimalna snaga koju pojačavač klase A treba da izdrži P DQ =I CQ V CEQ Maksimalna izlazna snaga signala P out(max) =0.5I CQ V CEQ Efikasnost pojačavača - odnos izlazne snage signala predate opterećenju i ukupne snage DC izvora. Maksimalna efikasnost klase A pojačavača (sa kapacitivnom spregom) η max =P out(max) /P DC = 0.5I CQ V CEQ /2I CQ V CEQ =0.25

78 Pojačavači klase B Polarisani na granici isključenja (V CEQ =V CE(cutoff) ; I CQ =0) u jednoj poluperiodi rade u linearnoj oblasti, u drugoj poluperiodi su u zakočenju. Efikasniji od pojačavača klase A daju veći izlaznu snagu za istu vrednost ulazne snage. Nedostatak je teža realizacija kola koja daju linearnu kopiju ulaznog signala.

79 Push-pull pojačavač klase B Za pojačanje cele periode koriste se 2 pojačavača komplementarni simetrični tranzistori (upareni npn i pnp BJT) u CC konfiguraciji (emitter-follower-i). Napajanje dvostruko-simetrično, nema coupling kondenzatora jer je DC vrednost signala na bazi i izlazu 0. Ulazni signal pobuđuje tranzistore, npn vodi u pozitivnoj poluperiodi, pnp u negativnoj poluperiodi. Tranzistori ne vode dok se ne dostigne napon na njihovim bazama V BE (-V BE ). Vremenski interval kada oba tranzistora ne vode dovodi do tzv. izobličenja prelaza izlaznog signala.

80 Push-pull pojačavač klase B

81

82 Push-pull pojačavač klase AB Izobličenje prelaza izlaznog signala izbegnuto modifikovanom realizacijom napajanja (pomoću naponskog razdelnika i dioda) tako da je radna tačka malo iznad tačke zakočenja. Tranzistori vode i za nultu vrednost ulaznog signala. Kada su karakteristike dioda i bazno-emitorskih spojeva tranzistora uparene struje su im jednake formira se tzv. strujno ogledalo. Problem termičke nestabilnosti ukoliko karakteristike dioda i bazno-emitorskih spojeva tranzistora nisu uparene ili kada su komponente na različitim temperaturama.

83 Push-pull pojačavač klase AB sa dvostrukim napajanjem

84 Push-pull pojačavač klase AB sa jednim napajanjem

85 AC karakteristike Struja zasićenja I c(sat) =V CC /R L Maksimalna srednja izlazna snaga P out(max) =0.25I c(sat) V CC Maksimalna efikasnost η max =P out(max) /P DC = 0.25I c(sat) V CC /I c(sat) V CC /p η max =0.79 Ulazna otpornost R in =β ac (R L +r e )7R 1 7R 2

86 Push-pull pojačavač klase AB sa Darlingtonovim parom (povećanje ulazne otpornosti)

87 Push-pull pojačavač klase AB sa Darlingtonovim/komplementarnim Darlingtonovim parom

88 Pojačavači klase C Provođenje postoji u intervalu kraćem od jedne poluperiode. Amplituda izlaznog signala je nelinearna funkcija ulaznog signala. Efikasniji su od pojačavača klase A i push-pull pojačavača klase B i AB. Generalno se koriste u RF primenama poput oscilatora i modulatora.

89 Audio pojačavač sprega predpojačavača i pojačavača snage sa dvostrukim napajanjem

90 Audio pojačavač-signali