Διπολικό Τρανηίςτορ Bipolar Junction Transistor (BJT)

Θζματα που κα καλυφκοφν Δομι και ςυμβολιςμόσ των διπολικών τρανηίςτορ Φυςικι λειτουργία διπολικοφ τρανηίςτορ Τα ρεφματα ςτο τρανηίςτορ Μοντζλο μεγάλο ςθμάτων (Ebers-Moll) Προςεγγιςτικι λειτουργία του τρανηίςτορ ςτο ςυνεχζσ Συνδεςμολογίεσ Τρανηίςτορ Χαρακτθριςτικζσ καμπφλεσ ςε ςυνδεςμολογία CE (περιοχζσ λειτουργίασ του) Φαινόμενο Early Επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ Μοντζλο μικρών ςθμάτων (ειςαγωγι)

Δομι και ςυμβολιςμόσ BJT ++ + ++ +

Φυςικι λειτουργία διπολικοφ τρανηίςτορ Το τρανηίςτορ φαίνεται ςαν 2 ανάποδα τοποκετθμζνεσ δίοδοι, με κοινι περιοχι p ςτο npn (n ςτο pnp) Στθν ορκι πόλωςθ τθν επαφι Βάςθσ-Εκπομποφ (ΒΕ) τθν πολώνουμε ορκά και τθν επαφι Συλλζκτθ Βάςθσ (CB) ανάςτροφα. Ένα τρανηίςτορ δεν μπορεί να καταςκευαςτεί από δφο ανεξάρτθτεσ διόδουσ γιατί: Η περιοχι τθσ βάςθσ πρζπει να είναι πολφ ςτενι Για τθν ςωςτι λειτουργία του πρζπει οι εμπλουτιςμοί να είναι n++ (E) p (B) n+ (C)

Φυςικι λειτουργία διπολικοφ τρανηίςτορ

Φυςικι λειτουργία διπολικοφ τρανηίςτορ Η επαφι Βάςθσ-Εκπομποφ είναι ορκά πολωμζνθ, οπότε: θλεκτρόνια (φορείσ πλειονότθτασ ςτον Εκπομπό) εκχζονται ςτθν Βάςθ (φορείσ μειονότθτασ ςτθν Βάςθ) και οπζσ (φορείσ πλειονότθτασ ςτθν Βάςθ) εκχζονται ςτον εκπομπό (φορείσ μειονότθτασ ςτον Εκπομπό). Τα θλεκτρόνια που εκχζονται ςτθν Βάςθ (φορείσ μειονότθτασ εκεί) από τον Εκπομπό δεν προλαβαίνουν να επαναςυνδεκοφν ςτθν περιοχι τθσ Βάςθσ, λόγο: α) του χαμθλοφ εμπλουτιςμοφ τθσ και κυρίωσ β) λόγω του μικροφ εφρουσ τθσ Έχουμε δει ότι ςτθν ανάςτροφα πολωμζνθ δίοδο οι φορείσ μειωνότθτασ ςαρώνονται από τθν ανάςτροφθ τάςθ πόλωςθσ (ανάςτροφο ρεφμα κορεςμοφ), ΣΥΝΕΠΩΣ κα ςαρωκοφν από το δυναμικό Συλλζκτθ-Βάςθσ V CB. Οι οπζσ που εκχζονται από τθν βάςθ ςτον εκπομπό δεν ςυνειςφζρουν ςτθν λειτουργία του τρανηίςτορ αλλά είναι μικρό το ρεφμα τουσ λόγω του ότι n E ++>>p B. Επίςθσ υπάρχει ζνα μικρό ρεφμα λόγω τθσ επαναςφνδεςθσ κάποιων θλεκτρονίων από τον Εκπομπό ςτθν περιοχι τθσ Βάςθσ. Το I C είναι το ρεφμα των θλεκτρονίων που εκχζονται από τον Eκπομπό και ςαρώνονται από τον Συλλζκτθ και είναι ελάχιςτα μικρότερο του Ι Ε, I C I E

Φυςικι λειτουργία διπολικοφ τρανηίςτορ Το ρεφμα τθσ ορκά πολωμζνθσ επαφισ ΒΕ, το οποίο κυρίωσ από θλεκτρόνια (n E >>p B ), εκχζονται ςτθν περιοχι τθσ βάςθσ χωρίσ να προλάβουν να επαναςυνδεκοφν (εφροσ βάςθσ μικρό & ζχει μικρό εμπλουτιςμό), και ςαν φορείσ μειονότθτασ ςτθν βάςθ ςαρώνονται από το αναςτροφο δυναμικό τθσ επαφισ CB. Το I C είναι είναι ελάχιςτα μικρότερο του Ι Ε, I C I E

Τα ρεφματα ςτο τρανηίςτορ

Από: Τα ρεφματα ςτο τρανηίςτορ

Τα ρεφματα ςτο τρανηίςτορ

Μοντζλο μεγάλο ςθμάτων (Ebers-Moll)

Μοντζλο μεγάλο ςθμάτων (Ebers-Moll) Γιατί το τρανηίςτορ είναι ενιςχυτικι διάταξθ? Μικρζσ μεταβολζσ του ρεφματοσ ειςόδου ςτθν βάςθ του τρανηίςτορ (τάςθ V BE ), προκαλοφν μεγάλεσ μεταβολζσ ςτο ρεφμα του ςυλλζκτθ

Μοντζλο μεγάλο ςθμάτων (Ebers-Moll) Παράδειγμα: Ζςτω β=150, Για V in =5V 5V =I B *1KΩ+0.7V I B =4.3mA I C =β*i B =645mA Lamp ON Για V in =0V V BE <0.7V (ςε αποκοπι) I C =0 Lamp OFF

Προςεγγιςτικι λειτουργία του τρανηίςτορ ςτο ςυνεχζσ

Προςεγγιςτικι λειτουργία του τρανηίςτορ ςτο ςυνεχζσ npn pnp V BE = 0.7V(npn) V BE = -0.7V(pnp) IC IC IB base + κηθξό ξεύκα VBE collector - emitter IE Μεγάιν ξεύκα IB base + κηθξό ξεύκα VBE collector - emitter IE Μεγάιν ξεύκα I E = I C + I B I C @ I E I B << I C a dc = I C I E b dc = I C I B

Συνδεςμολογίεσ Τρανηίςτορ

Χαρακτθριςτικζσ καμπφλεσ ςε ςυνδεςμολογία CE (περιοχζσ λειτουργίασ του) Ορίηονται τρείσ περιοχζσ εξόδου: Η Περιοχι Κόρου για VCE<VCE SAT, Η Περιοχι Αποκοπισ (θ VBE<0.7V) και θ Ενεργόσ Περιοχι

Χαρακτθριςτικζσ καμπφλεσ ςε ςυνδεςμολογία CE (περιοχζσ λειτουργίασ του)

Φαινόμενο Early

Επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) R C R B V CE V CC V BB V BE Η ζπλδεζκνινγία θνηλνύ εθπνκπνύ έρεη δύν βξόγρνπο: Τεο βάζεο θαη ηνπ ζπιιέθηε

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Προςεγγίςεισ κυκλωμάτων με Transistor Πρώτθ: χρθςιμοποιιςτε τθν ιδανικι δίοδο για τθν επαφι base-emitter και χρθςιμοποιιςτε τθν ςχζςθ bi B για να προςδιορίςετε το I C. Δεφτερθ: χρθςιμοποιιςτε τθν προςζγγιςθ ςτακερισ πτώςθσ τάςθσ για το V BE και χρθςιμοποιιςτε τθν ςχζςθ bi B για να προςδιορίςετε το I C. Τρίτθ: Λφνονται οι εξιςώςεισ ςυνικωσ με τθν χριςθ υπολογιςτι (simulation).

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Γεύηεξε πξνζέγγηζε: B C V BE = 0.7 V b dc I B V CE E

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) I B = V BB - V BE R B I B = 5 V - 0.7 V = 43 ma 100 kw R C 100 kw R B V CC V BB 5 V V BE = 0.7 V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) I C = b dc I B I C = 100 x 43 ma = 4.3 ma R C 100 kw b dc = 100 R B 5 V I B = 43 ma

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) V RC = I C x R C V RC = 4.3 ma x 1 kw = 4.3 V 100 kw 1 kw I C = 4.3 ma R C V BB R B 5 V I B = 43 ma 12 V V CC

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) V CE = V CC - V RC I C = 4.3 ma V CE = 12 V - 4.3 V = 7.7 V 1 kw 100 kw V CE V BB R B 5 V I B = 43 ma 12 V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Τπνζέηνπκε όηη ην transistor ιεηηνπξγεί ζηελ ελεξγό πεξηνρή Γξάθνπκε ηελ εμίζσζε ησλ ηάζεσλ Kirchhoff γηα ηνλ βξόγρν B-E Γξάθνπκε ηελ εμίζσζε ησλ ηάζεσλ Kirchhoff γηα ηνλ βξόγρν C-E Η επαθή B-E ιεηηνπξγεί ζαλ δίνδνο VE = VB - VBE = 4V - 0.7V = 3.3V IC IE IE = (VE - 0)/RE = 3.3/3.3K = 1mA IC IE = 1mA VC = 10 - ICRC = 10-1(4.7) = 5.3V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) b = 100 Βξόγρνο ηάζεο B-E 5 = IBRB + VBE, ιύλνπκε σο πξνο IB IB = (5 - VBE)/RB = (5-.7)/100k = 0.043mA IC IC = bib = (100)0.043mA = 4.3mA IB IE VC = 10 - ICRC = 10-4.3(2) = 1.4V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) VE = 0 -.7 = - 0.7V b = 50 IE = (VE - -10)/RE = (-.7 +10)/10K = 0.93mA IC IC IE = 0.93mA IB IB = IC/b m m IE VC = 10 - ICRC = 10 -.93(5) = 5.35V VCE = 5.35 - -0.7 = 6.05V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) IC IB Output circuit Input circui t IE

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Input characteristics IB IB 0.7V VBE Acts as a diode VBE 0.7V

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Output characteristics IC IC IB = 40mA IB = 30mA IB = 20mA IB = 10mA Early voltage Cutoff region At a fixed IB, IC is not dependent on VCE Slope of output characteristics in linear region is near 0 (scale exaggerated) VCE

Συνδεςμολογία Κοινοφ Εκπομποφ (CE) Biasing a transistor We must operate the transistor in the linear region. A transistor s operating point (Q-point) is defined by IC, VCE, and IB.

Πόλωςθ Τρανηίςτορ

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Ευκεία φόρτου-load line Input circuit B-E voltage loop V BB = I B R B +V BE I B = (V BB - V BE )/R B Output circuit C-E voltage loop V CC = I C R C +V CE I C = (V CC - V CE )/R C

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Ευκεία φόρτου-load line I B = (V BB - V BE )/R B If V BE = 0, I B = V BB /R B V BB /R B If I B = 0, V BE = V BB

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Ευκεία φόρτου-load line I C = (V CC - V CE )/R C If V CE = 0, I C = V CC /R C If I C = 0, V CE = V CC V CC /R C

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Ευκεία φόρτου-load line

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Ευκεία φόρτου-load line Load-line A results in bias point Q A which is too close to VCC and thus limits the positive swing of VCE. Load-line B results in an operating point too close to the saturation region, thus limiting the negative swing of VCE.

Πόλωςθ Τρανηίςτορ (πόλωςθ βάςθσ) I B αλεμάξηεην ην Ι C, εάλ κεηαβιεζεί ην Ι C =βι Β +(1+β)I CBO, ραιάεη ή πόιωζε (ην I CBO δηπιαζηάδεηαη αλά 10 ν C)

Πόλωςθ Τρανηίςτορ (πόλωςθ βάςθσ με ανάδραςθ από τον ςυλλζκτθ) Δάλ απμεζεί ην Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> κεηώλεηαη ην V C >> Μεηώλεηαη ην I B >> αληηζηξέθεηαη ε αύμεζε ηνπ Ι C

Πόλωςθ Τρανηίςτορ (πόλωςθ βάςθσ με διαιρζτθ τάςθσ και ανάδραςθ από εκπομπό) Δάλ απμεζεί ην Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> απμάλεηαη ην Ι Δ >> απμάλεηαη ε V E >> κεηώλεηαη ην V BE >> Μεηώλεηαη ην I B >> αληηζηξέθεηαη ε αύμεζε ηνπ Ι C (θαη ην αληίζηξνθν)

Πόλωςθ Τρανηίςτορ Δάλ απμεζεί ην Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> απμάλεηαη ην Ι Δ >> απμάλεηαη ε V E >> κεηώλεηαη ην V BE >> Μεηώλεηαη ην I B >> αληηζηξέθεηαη ε αύμεζε ηνπ Ι C (θαη ην αληίζηξνθν) Πιενλέθηεκα: VB = 0

Αλάιπζε δηαηξέηε ηάζεο: +V CC R 1 V BB = R 2 R 1 + R 2 V CC +V BB ΤΠΟΘΕΗ: Σν ξεύκα ηεο βάζεο είλαη ζπλήζσο πνιύ κηθξόηεξν από ην ξεύκα ηνπ δηαηξέηε. R 2

+V CC R 1 R C ΙζνδύλακνThevenin R TH = R 1 R 2 R 2 R E

Τν κνληέιν Thevenin γηα ην θύθιωκα πόιωζεο: +V CC R C R TH V TH= V CC R2/(R1+R2) R TH = R 1 R 2 R E

Πνιιέο θνξέο δηαιέγνπκε +V CC R 1 R 2 < 0.1 b dc R E Τπνινγηζκόο: R 1 R C I E = V BB - V BE R E + R 1 R 2 b dc Με ηελ παξαπάλσ επηινγή R E ν παξνλνκαζηήο είλαη ζρεδόλ ίζνο κε R E!!! ΑΝΕΞΑΡΣΗΙΑ ΑΠΌ ΣΟ β R 2 R E

Πόλωςθ Τρανηίςτορ

+V CC Πόισζε βάζεο: R B R C Η ρεηξόηεξε όπωο είπακε!!! Τν Q κεηαθηλείηαη κε αληηθαηάζηαζε ηξαλδίζηνξ θαη ηελ ζεξκνθξαζία!!

Πόισζε κε αλάδξαζε από ηνλ εθπνκπό (Emitter-feedback bias): Σν ξεύκα ηνπ ζπιιέθηε (έμνδνο) πξνθαιεί κεηαβνιή ζην ξεύκα ηεο βάζεο (είζνδνο) κέζσ ηεο RE R B +V CC R C Καιύηεξε από ηελ πόιωζε βάζεο ρωξίο RE Τν Q κεηαθηλείηαη Γελ κπνξνύκε λα βάινπκε R E >>R B /β V CC =I B R B +0.7V+I E R E Σπάληα ρξήζε R E

Πόισζε αλάδξαζεο πιιέθηε Collector-feedback bias: Πξνζεγγηζηηθά ε RC δηαξξέεηαη από ην IC V CC =I C R C +I B R B +0.7V= I C R C +(I C /β)r B +0.7V I C =(V CC -0.7V)/(R C +R B /β) R B +V CC R C Καιύηεξε από ηελ πόιωζε emitter-feedback Τν Q θηλείηαη Πεξηνξηζκέλε εθαξκνγή

Πόισζε κε αλάδξαζε από ηνλ εθπνκπό θαη ζπιιέθηε Collector- and emitter -feedback bias: R B +V CC R C Καιύηεξε από ηελ πόιωζε αλάδξαζεο εθπνκπνύ Αιιά ρεηξόηεξε από ηελ πόιωζε βάζεο κε δηαηξέηε ηάζεο!!! Πεξηνξηζκέλε εθαξκνγή R E

Πόισζε εθπνκπνύ κε δύν ηξνθνδνηηθά Πνιιή ζηαζεξή πόιωζε Χξεηάδνληαη όκωο δύν Τξνθνδνηηθά!!!!

πλνςίδνληαο Voltage divider bias: κε R E R 1 +V CC R C Πνιύ ζηαζεξό Q Γηαιέγνπκε ηελ θαηάιιειε R E >>(R TH /β) Χξεζηκνπνηεί 1 ηξνθνδνηηθό Η δεκνθηιέζηεξε!!! R 2 R E