Ηλεκτρονική Ενότητα 5: D λειτουργία Πόλωση του διπολικού τρανζίστορ Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης reative ommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» 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.
Περιεχόμενα ενότητας Μεθοδολογία D ανάλυσης των κυκλωμάτων με διπολικά τρανζίστορ και προσδιορισμός του σημείου λειτουργίας - ηρεμίας Το διπολικό τρανζίστορ ως ενισχυτής και ως διακόπτης Κυκλώματα πόλωσης του διπολικού τρανζίστορ: πόλωση με τέσσερις αντιστάσεις, πόλωση με χρήση δύο τροφοδοτικών, πόλωση από τον συλλέκτη, πόλωση με πηγή ρεύματος 4
Παράδειγμα D ανάλυσης Να ευρεθεί το σημείο λειτουργίας Q. Δίνονται: β00 και 0.7. Υποθέτουμε λειτουργία στην ενεργό περιοχή. 4 4 0 7, 3,3 3,3 ma 3,3 a β 00 a 0.99 β 0 0,99 0,99mA 0 0 0,99 4 7, 5,3 Η επαφή βάσης-συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη, επομένως το τρανζίστορ λειτουργεί πράγματι στην ενεργό περιοχή..3 0, 0mA β 0 5
Παράδειγμα 2 D ανάλυσης (/2) Να ευρεθεί το σημείο λειτουργίας Q για 6. Υποθέτουμε λειτουργία στην ενεργό περιοχή (β00 και 0.7). 6 6 0,7 5,3 5,3,6mA 3,3 a 0 0,99,6,6mA 0,6 4,7 2,48 6 2,48 3,52 Η επαφή βάσης-συλλέκτη είναι ορθά πολωμένη, επομένως η υπόθεση ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή είναι ΛΑΘΟΣ. 6
Παράδειγμα 2 D ανάλυσης (2/2) Να ευρεθεί το σημείο λειτουργίας Q για 6. Υποθέτουμε λειτουργία στον κόρο. 6 5,3 3,3 6 0,7,6mA 5,3 0 5,5 4,7 sat 5,3 0,2 5,5 0,96mA,6 0,96 0,64mA β forced 0,96 0,64,5 β<<00 > Το τρανζίστορ λειτουργεί πράγματι στον κόρο. 7
Παράδειγμα 3 D ανάλυσης Να ευρεθεί το σημείο λειτουργίας Q για 0. Υποθέτουμε λειτουργία στην αποκοπή. i 0,i 0,i 0 0 0 Η επαφή βάσης-εκπομπού είναι ανάστροφα πολωμένη και η επαφή βάσης-συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Επομένως το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή. 8
Παράδειγμα 4 D ανάλυσης α και α β 0,99 β 0,99 4,65 4,6mA 0 4,6 5,4 0,7 0 0,7 2 4,65mA 4,65 0,05mA β 0 5. 4 9
Σύνοψη της μεθοδολογίας της D ανάλυσης. Υποθέτουμε ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή όπου (on), β>>, >0 και β. 2. Αναλύουμε το κύκλωμα με βάση αυτή την υπόθεση. 3. Εκτιμούμε τα αποτελέσματα: Αν η επαφή βάσης-εκπομπού είναι ορθά πολωμένη και η επαφή βάσης-συλλέκτη ανάστροφα τότε η αρχική υπόθεση είναι αληθής. Αν όμως <0, τότε το τρανζίστορ είναι μάλλον στην αποκοπή ή αν < (sat), τότε είναι μάλλον στον κόρο. 4. Αν η αρχική υπόθεση αποδειχθεί λάθος, πρέπει να αναλύσουμε το κύκλωμα κάνοντας νέα υπόθεση και να επαναλάβουμε το βήμα 3. 0
Το διπολικό τρανζίστορ ως ενισχυτής Προσδιορισμός της D χαρακτηριστικής μεταφοράς του κυκλώματος. Για υ 0.7 το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή και υ O 5. (/2)
Το διπολικό τρανζίστορ ως ενισχυτής (2/2) Για υ >0.7 το τρανζίστορ μπαίνει στην ενεργό περιοχή οπότε: i O O υ υ υ i υ β βi υ 0. 7 υo 5 ( 00) 4kΩ 00kΩ Αυτή η εξίσωση ισχύει για υ >0.7 και υ O ( sat) 0. 2 Η τάση εισόδου για υ O 0.2 υπολογίζεται υ.9. Για υ >.9, το τρανζίστορ μπαίνει στον κόρο. 2
Ο ρόλος της πόλωσης στη λειτουργία του κυκλώματος Για να έχουμε έναν γραμμικό ενισχυτή πρέπει: Να τοποθετήσουμε το σημείο ηρεμίας Q κοντά στο μέσο της ενεργού περιοχής. Να προσδιορίσουμε τα όρια λειτουργίας του τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή. Να συνδέσουμε το κατάλληλο μεταβλητό σήμα στη βάση του τρανζίστορ. 3
To διπολικό τρανζίστορ ως διακόπτης Στην αποκοπή: υ 0 υ O αποκοπ ής Στον κόρο: υ >> 0. 7 και κ όρου Έχει επιλεγεί να λειτουργούν τα ψηφιακά κυκλώματα στον κόρο και στην αποκοπή διότι: α) Είναι δύο στάθμες ανεξάρτητες από το β. β) Η κατανάλωση ισχύος σ αυτές είναι μικρότερη. υ O κόρου κόρου 4
Κυκλώματα πόλωσης του διπολικού τρανζίστορ.(/3) Το κύκλωμα πόλωσης παρέχει το D ρεύμα εκπομπού που αντιστοιχεί στο επιθυμητό σημείο ηρεμίας Q. Το ρεύμα αυτό πρέπει να είναι: καθορισμένο, προβλέψιμο και αναίσθητο στις μεταβολές της θερμοκρασίας και στις μεταβολές του β. 5
Κυκλώματα πόλωσης του διπολικού τρανζίστορ. (2/3) Παραδείγματα κακής σχεδίασης κυκλώματος πόλωσης. Παράδειγμα : Με ρύθμιση του Ι Β. β ( β ) Τα ρεύματα συλλέκτη και εκπομπού εξαρτώνται άμεσα από το β η τιμή του οποίου δεν ελέγχεται εύκολα. Αν το β γίνει κατά 0% μεγαλύτερο, το τρανζίστορ μπαίνει στον κόρο. 6
Κυκλώματα πόλωσης του διπολικού τρανζίστορ.(3/3) Παράδειγμα 2: Με ρύθμιση του. Το ρεύμα συλλέκτη είναι εκθετική συνάρτηση του και επομένως του. 7
. Το κλασσικό κύκλωμα πόλωσης με τέσσερις αντιστάσεις. (/2) 2 2 2 2 ( β ) 8
. Το κλασσικό κύκλωμα πόλωσης με τέσσερις αντιστάσεις. (2/2) Για να κάνουμε το ρεύμα εκπομπού σταθερό, ανεξάρτητο από τις μεταβολές της θερμοκρασίας και από το β, επιλέγουμε: >> >> β Η σταθεροποίηση του ρεύματος πόλωσης οφείλεται στην, η οποία δημιουργεί αρνητική ανάδραση. 9
Παράδειγμα (/2) Να αναλυθεί το κύκλωμα αν β00 και 0.7. Υποθέτουμε λειτουργία στην ενεργό περιοχή. 2 50 5 5 00 50 2 2 00 50 kω 33.3kΩ 00 50 2 20
Παράδειγμα (2/2) 5 0.7 ma. 29mA 33.3 3 ( β ) 0.29 ma 0. 028mA ( β ) 0 0.7.29 3 4. 57 α 0.99.29. 28mA 5.28 5 8. 6 5 4.57 ma 0. 043mA 00 4.57 2 ma 0. 094mA 50 2 2
Πρόσθετοι στόχοι της σχεδίασης δικτυώματος πόλωσης (/2) Χαμηλή κατανάλωση ισχύος και μεγάλο περιθώριο μεταβολής της τάσης εξόδου. 22
Πρόσθετοι στόχοι της σχεδίασης δικτυώματος πόλωσης (2/2) ( β ) >> >> β Παράδειγμα συμβιβασμών που ικανοποιούν αυτούς τους στόχους 3 3 Για μεγάλο περιθώριο πριν την είσοδο στον κόρο. Για μεγάλο περιθώριο 3 μεταβολής σήματος. 0. 2 Για μέτρια κατανάλωση. 23
Παράδειγμα 2 (/2) 4 3 3.3 3. 3kΩ Να σχεδιαστεί το δικτύωμα πόλωσης έτσι ώστε να πάρουμε Ι Ε ma με τάση τροφοδοσίας 2. Υποθέτουμε β00, 0.7 και λειτουργία στην ενεργό περιοχή. 24
Παράδειγμα 2 (2/2) 0. 2 20kΩ 0. 2 4 2 3 2 80kΩ, 2 40kΩ 3 Ακριβέστερος υπολογισμός του Ι Ε : για μη μηδενικό Ι Β / 3 / 3 4 4.04kΩ 4kΩ α 0.99 3.3 0. 93mA 26.66 3.3 ( β ) 0 25
Άσκηση (/2) Να σχεδιαστεί το κύκλωμα του σχήματος για 9 ώστε να έχουμε πτώση τάσης πάνω στις και ίση με το /3 της, 0.5mA, ρεύμα στο διαιρέτη τάσης ίσο με 0.2Ι Ε και β00. 26
Άσκηση (2/2) 6kΩ 0.5mA 3 9 3 3 0.005mA 0.495mA, 0.5mA 0.99 β β α 6,06kΩ 0.495mA 3 9 3 3 6 3 3.7 3 0.7 3.7 ) (6 Πολωμένο στην ενεργό περιοχή 2.43 3.7 9 90k 0.2 ) ( 2 2 2 2 2 2 Ω Ω Ω Ω Ω k k k k 53 37 90 90 2 Ω Ω 37k 2.43 90k 2.43 2 2 27
2. Πόλωση με Χρήση Δύο Τροφοδοτικών Για να κάνουμε το ρεύμα εκπομπού ανεξάρτητο από τις μεταβολές της θερμοκρασίας και το β, επιλέγουμε: >> >> β 0 ( β ) Η μπορεί να παραλειφθεί αν το σήμα δεν εφαρμόζεται στη βάση. 28
3. Πόλωση από τον Συλλέκτη β β Χρήσιμο για κυκλώματα κοινού εκπομπού. Η σταθερότητα πόλωσης επιτυγχάνεται με την αρνητική ανάδραση που δίνει η αντίσταση. ( β ) >> β 29
Άσκηση 2 Για το κύκλωμα του σχήματος, να υπολογιστούν οι τιμές των αντιστάσεων 2 και, αν απαιτείται να έχουμε Ε 5 και Ι 2mA στο σημείο λειτουργίας Q. Δίνονται: 0,7 και β00. 30
4. Πόλωση με πηγή ρεύματος Το ρεύμα πόλωσης είναι ανεξάρτητο από την και από το β. 3
Τέλος Ενότητας