Διπολικό Τρανζίστορ Bipolar Junction Transistor (BJT)

Διπολικό Τρανζίστορ Bipolar Junction Transistor (BJT)

Θέματα που θα καλυφθούν Δομή και συμβολισμός των διπολικών τρανζίστορ Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ Τα ρεύματα στο τρανζίστορ Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll) Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές Συνδεσμολογίες Τρανζίστορ Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του) Φαινόμενο Early Επίδραση της θερμοκρασίας Μοντέλο μικρών σημάτων (εισαγωγή)

Επαφή PN (υπενθύμιση) Τύπος Ημιαγωγού Φορείς Πλειονότητας Φορείς Μειονότητας Σχέση n n n N D (donors) p n n i2 /N D n n >>n p p p p N A (Acceptors) n p n i2 /N a p p >>p n Στην ανάστροφη πόλωση το V είναι αρνητικό E=q(Vo-V) (+) +++ +++ +++ - - - - - - - - - Eg (-) Ανάστροφη πόλωση (V A <V K ) Το δυναμικό της επαφής επιτρέπει την κίνηση των φορέων μειονότητας, δηλ. την επαφή την διαρρέει ρεύμα λόγω των φορέων μειονότητας (πολύ μικρό) E=q(Vo-V) (-) + + + Στην ορθή πόλωση το V είναι θετικό - - - (+) Ορθή πόλωση (V A >V K ) Το δυναμικό της επαφής επιτρέπει την κίνηση των φορέων πλειονότητας, δηλ. την επαφή την διαρρέει ρεύμα λόγω των φορέων πλειονότητας (μεγάλο)

Δομή και συμβολισμός BJT ++ + ++ +

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ Το τρανζίστορ φαίνεται σαν 2 ανάποδα τοποθετημένες δίοδοι, με κοινή περιοχή p στο npn (n στο pnp) Στην ορθή πόλωση την επαφή Βάσης-Εκπομπού (ΒΕ) την πολώνουμε ορθά και την επαφή Συλλέκτη Βάσης (CB) ανάστροφα. Ένα τρανζίστορ δεν μπορεί να κατασκευαστεί από δύο ανεξάρτητες διόδους γιατί: Η περιοχή της βάσης πρέπει να είναι πολύ στενή Για την σωστή λειτουργία του πρέπει οι εμπλουτισμοί να είναι n++ (E) p (B) n+ (C)

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ Τι γίνεται όμως στην ορθά και ανάστροφα πολωμένη επαφή PN? Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ Η επαφή Βάσης-Εκπομπού είναι ορθά πολωμένη, οπότε: ηλεκτρόνια (φορείς πλειονότητας στον Εκπομπό) εκχέονται στην Βάση (φορείς μειονότητας στην Βάση) και οπές (φορείς πλειονότητας στην Βάση) εκχέονται στον εκπομπό (φορείς μειονότητας στον Εκπομπό). Τα ηλεκτρόνια που εκχέονται στην Βάση (φορείς μειονότητας εκεί) από τον Εκπομπό δεν προλαβαίνουν να επανασυνδεθούν στην περιοχή της Βάσης, λόγο: α) του χαμηλού εμπλουτισμού της και κυρίως β) λόγω του μικρού εύρους της Έχουμε δει ότι στην ανάστροφα πολωμένη δίοδο οι φορείς μειωνότητας σαρώνονται από την ανάστροφη τάση πόλωσης (ανάστροφο ρεύμα κορεσμού), ΣΥΝΕΠΩΣ θα σαρωθούν από το δυναμικό Συλλέκτη-Βάσης V CB. Οι οπές που εκχέονται από την βάση στον εκπομπό δεν συνεισφέρουν στην λειτουργία του τρανζίστορ αλλά είναι μικρό το ρεύμα τους λόγω του ότι n E ++>>p B. Επίσης υπάρχει ένα μικρό ρεύμα λόγω της επανασύνδεσης κάποιων ηλεκτρονίων από τον Εκπομπό στην περιοχή της Βάσης. Το I C είναι το ρεύμα των ηλεκτρονίων που εκχέονται από τον Eκπομπό και σαρώνονται από τον Συλλέκτη και είναι ελάχιστα μικρότερο του Ι Ε, I C I E

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ (-) (+) (-) (+) Το ρεύμα της ορθά πολωμένης επαφής ΒΕ, το οποίο κυρίως από ηλεκτρόνια (n E >>p B ), εκχέονται στην περιοχή της βάσης χωρίς να προλάβουν να επανασυνδεθούν (εύρος βάσης μικρό & έχει μικρό εμπλουτισμό), και σαν φορείς μειονότητας στην βάση σαρώνονται από το αναστροφο δυναμικό της επαφής CB. Το I C είναι είναι ελάχιστα μικρότερο του Ι Ε, I C I E

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Από: Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll) Γιατί το τρανζίστορ είναι ενισχυτική διάταξη? Μικρές μεταβολές του ρεύματος εισόδου στην βάση του τρανζίστορ (τάση V BE ), προκαλούν μεγάλες μεταβολές στο ρεύμα του συλλέκτη

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll) Παράδειγμα: Έστω 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 αποκοπή) I C =0 Lamp OFF

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές npn pnp V BE = 0.7V(npn) V BE = -0.7V(pnp) IC IC IB base + μικρό ρεύμα VBE collector - emitter IE Μεγάλο ρεύμα IB base + μικρό ρεύμα VBE collector - emitter IE Μεγάλο ρεύμα 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 Τρανζίστορ

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του) Ορίζονται τρείς περιοχές εξόδου: Η Περιοχή Κόρου για VCE<VCE SAT, Η Περιοχή Αποκοπής (η VBE<0.7V) και η Ενεργός Περιοχή

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Φαινόμενο Early

Επίδραση της θερμοκρασίας

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE) R C R B V CE V CC V BB V BE Η συνδεσμολογία κοινού εκπομπού έχει δύο βρόγχους: Της βάσης και του συλλέκτη

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE) Προσεγγίσεις κυκλωμάτων με Transistor Πρώτη: χρησιμοποιήστε την ιδανική δίοδο για την επαφή base-emitter και χρησιμοποιήστε την σχέση bi B για να προσδιορίσετε το I C. Δεύτερη: χρησιμοποιήστε την προσέγγιση σταθερής πτώσης τάσης για το V BE και χρησιμοποιήστε την σχέση bi B για να προσδιορίσετε το I C. Τρίτη: Λύνονται οι εξισώσεις συνήθως με την χρήση υπολογιστή (simulation).

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE) Δεύτερη προσέγγιση: B C V BE = 0.7 V b dc I B V CE E

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (CE) Υποθέτουμε ότι το transistor λειτουργεί στην ενεργό περιοχή Γράφουμε την εξίσωση των τάσεων Kirchhoff για τον βρόγχο B-E Γράφουμε την εξίσωση των τάσεων Kirchhoff για τον βρόγχο C-E Η επαφή B-E λειτουργεί σαν δίοδος 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 Κοινού Εκπομπού (CE) b = 100 Βρόγχος τάσης B-E 5 = IBRB + VBE, λύνουμε ως προς 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 Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (CE) IC IB Output circuit Input circui t IE

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE) Input characteristics IB IB 0.7V VBE Acts as a diode VBE 0.7V

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (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 Κοινού Εκπομπού (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.

Πόλωση Τρανζίστορ

Πόλωση Τρανζίστορ

Πόλωση Τρανζίστορ Ευθεία 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

Πόλωση Τρανζίστορ Ευθεία 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

Πόλωση Τρανζίστορ Ευθεία 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

Πόλωση Τρανζίστορ Ευθεία φόρτου-load line

Πόλωση Τρανζίστορ Ευθεία 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.

Πόλωση Τρανζίστορ (πόλωση βάσης) I B ανεξάρτητο το Ι C, εάν μεταβληθεί το Ι C =βι Β +(1+β)I CBO, χαλάει ή πόλωση (το I CBO διπλασιάζεται ανά 10 ο C)

Πόλωση Τρανζίστορ (πόλωση βάσης με ανάδραση από τον συλλέκτη) Εάν αυξηθεί το Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> μειώνεται το V C >> Μειώνεται το I B >> αντιστρέφεται η αύξηση του Ι C

Πόλωση Τρανζίστορ (πόλωση βάσης με διαιρέτη τάσης και ανάδραση από εκπομπό) Εάν αυξηθεί το Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> αυξάνεται το Ι Ε >> αυξάνεται η V E >> μειώνεται το V BE >> Μειώνεται το I B >> αντιστρέφεται η αύξηση του Ι C (και το αντίστροφο)

Πόλωση Τρανζίστορ Εάν αυξηθεί το Ι C (Ι C =βι Β +(1+β)I CBO ) >> αυξάνεται το Ι Ε >> αυξάνεται η V E >> μειώνεται το V BE >> Μειώνεται το I B >> αντιστρέφεται η αύξηση του Ι C (και το αντίστροφο) Πλεονέκτημα: VB = 0

Ανάλυση διαιρέτη τάσης: +V CC R 1 V BB = R 2 R 1 + R 2 V CC +V BB ΥΠΟΘΕΣΗ: Το ρεύμα της βάσης είναι συνήθως πολύ μικρότερο από το ρεύμα του διαιρέτη. R 2

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

Το μοντέλο Thevenin για το κύκλωμα πόλωσης: +V CC R C R TH V TH= V CC R2/(R1+R2) R TH = R 1 R 2 R E

Πολλές φορές διαλέγουμε +V CC R 1 R 2 < 0.1 b dc R E Υπολογισμός: R 1 R C I E = V BB - V BE R E + R 1 R 2 b dc Με την παραπάνω επιλογή R E ο παρονομαστής είναι σχεδόν ίσος με R E!!! ΑΝΕΞΑΡΤΗΣΙΑ ΑΠΌ ΤΟ β R 2 R E

Πόλωση Τρανζίστορ

+V CC Πόλωση βάσης: R B R C Η χειρότερη όπως είπαμε!!! Το Q μετακινείται με αντικατάσταση τρανζίστορ και την θερμοκρασία!!

Πόλωση με ανάδραση από τον εκπομπό (Emitter-feedback bias): Το ρεύμα του συλλέκτη (έξοδος) προκαλεί μεταβολή στο ρεύμα της βάσης (είσοδος) μέσω της RE R B +V CC R C Καλύτερη από την πόλωση βάσης χωρίς RE Το Q μετακινείται Δεν μπορούμε να βάλουμε R E >>R B /β V CC =I B R B +0.7V+I E R E Σπάνια χρήση R E

Πόλωση ανάδρασης Συλλέκτη Collector-feedback bias: Προσεγγιστικά η RC διαρρέεται από το 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 Καλύτερη από την πόλωση emitter-feedback Το Q κινείται Περιορισμένη εφαρμογή

Πόλωση με ανάδραση από τον εκπομπό και συλλέκτη Collector- and emitter -feedback bias: R B +V CC R C Καλύτερη από την πόλωση ανάδρασης συλλέκτη Αλλά χειρότερη από την πόλωση βάσης με διαιρέτη τάσης!!! Περιορισμένη εφαρμογή R E

Πόλωση εκπομπού με δύο τροφοδοτικά Πολλή σταθερή πόλωση Χρειάζονται όμως δύο Τροφοδοτικά!!!!

Συνοψίζοντας Voltage divider bias: με R E R 1 +V CC R C Πολύ σταθερό Q Διαλέγουμε την κατάλληλη R E >>(R TH /β) Χρησιμοποιεί 1 τροφοδοτικό Η δημοφιλέστερη!!! R 2 R E