Bipolar Transistors ιπολικά τρανζίστορ

Bipolar Transistors ιπολικά τρανζίστορ Επιµέλεια Π. Παπαγέωργας Κεφάλαιο 5 1

Shockley, Bardeen, and Brattain were jointly awarded the 1956 Nobel Prize in Physics "for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect 2

3

4

Ρόµπερτ Νόρτον Νόις- Robert Norton Noyce 5

Ρόµπερτ Νόρτον Νόις (Από τη Βικιπαίδεια ) ΟΡόµπερτ Νόρτον Νόις ( 12 εκεµβρίου, 1927 3 Ιουνίου, 1990), γνωστός µε τοπαρωνύµιο «ο ήµαρχος της Σίλικον Βάλλεϋ», ήταν ο ιδρυτής των εταιρειών Fairchild Semiconductor το 1957 και της Intel το 1968. Επίσης, από κοινού µε τον Τζακ Κίλµπι, παρουσίασαν τρόπους συνδυασµού (πολύ) µεγάλου αριθµού κρυσταλλολυχνιών (transistor) σε πολύ µικρές κατασκευές από πυρίτιο, που έγιναν γνωστά ως «µικρο-ψηφίδες» (microchips). Το επίτευγµα αυτό πυροδότησε την επανάσταση των προσωπικών υπολογιστών και χάρισε στη Σίλικον Βάλλεϋ το όνοµά της. Ο Νόις υπήρξε επίσης µέντορας και πατρική φιγούρα µιας ολόκληρης γενιάς επιχειρηµατιών. 6

Το διπολικό τρανζίστορ (bipolar junction transistor BJT) έχει 3 περιοχές νόθευσης N P N COLLECTOR-Συλλέκτης (µέτρια νόθευση) BASE (ελαφριά νόθευση και πολύ µικρό πάχος-όλασχεδόνταηλεκτρόνια από τον εκποµπό φτάνουν στον συλλέκτη EMITTER-Εκποµπός (έντονη νόθευση) 7

Σε ένα κατάλληλα πολωµένο (ενεργός περιοχή) NPN transistor, τα ηλεκτρόνια από τον εκποµπό διαχέονται στην βάση και προχωρούν στον συλλέκτη N R C R B P V CE V CC V BB V BE N 8

I C I C I B I B I E I E Συµβατική φορά ρευµάτων Ροή ηλεκτρονίων I E = I C + I B I C I E I B << I C α dc = I C I E β dc = I C I B 9

Λειτουργία npn transistor (ενεργός περιοχή) Μεγάλο ρεύµα 10

11

Τρόποι (περιοχές) λειτουργίας ενός BJT transistor Περιοχές Επαφή BE Επαφή BC Cutoff Ανάστροφα πολωµένη Ανάστροφα πολωµένη Αποκοπή reverse biased reverse biased linear(active) Γραµµική Ορθά πολωµένη Ανάστροφα πολωµένη Forward biased reverse biased Saturation- Κόρος Ορθά πολωµένη Ορθά πολωµένη Forward biased Forward biased 12

13

14

Περίληψη της συµπεριφοράς npn transistor npn IC IB base + µικρό ρεύµα VBE - collector emitter IE Μεγάλο ρεύµα 15

Περίληψη της συµπεριφοράς pnp transistor pnp IC IB base + µικρό ρεύµα VBE - collector emitter IE Μεγάλο ρεύµα 16

Περίληψη εξισώσεων για BJT τρανζίστορ I E =I C +I B (κανόνας Kirchhoff) α dc =I C /I E I E I C I C = βi B Το ρεύµα I ES (µικρό ρεύµα 10-12 -10-15 A) διπλασιάζεται για αύξηση θερµοκρασίας 1 C. V T ηθερµική τάση. β είναι το κέρδος ρεύµατος του transistor 100 έως 300 V BE = 0.7V(npn), V BE = -0.7V(pnp) και α=β/(β+1) (λίγο µικρότερο του 1) 17

18

Όρια λειτουργίας Μέγιστο ρεύµασυλλέκτη(π.χ. 50 ma για το τρανζίστορ της προηγούµενης διαφάνειας) Μέγιστη τάση συλλέκτη-εκποµπού (π.χ. 20V για το τρανζίστορ της προηγούµενης διαφάνειας) Μέγιστη ισχύς που καταναλώνεται σε θερµότητα (π.χ. 300 mw) 19

20

Η συνδεσµολογία κοινού εκποµπού έχει δύο βρόγχους: Της βάσης και του συλλέκτη R C R B V CE V CC V BE V BB 21

Συµβάσεις δεικτών σε τάσεις Όταν οι δείκτες είναι ίδιοι, ητάσηαναφέρεται σε πηγή τροφοδοσίας (V CC ). Όταν οι δείκτες είναι διαφορετικοί, ητάση αναφέρεται στην διαφορά δυναµικού µεταξύ δύο σηµείων (V CE ). Όταν υπάρχει δείκτης µε Single subscripts are used for node voltages with ground serving as the reference (V C ). 22

Το κύκλωµα της βάσης αναλύεται µε την ίδια προσέγγιση που χρησιµοποιήσαµε στιςδιόδους I B = V BB -V BE R B R C V CE R B V CC V BE V BB 23

Προσεγγίσεις κυκλωµάτων µε Transistor Πρώτη: χρησιµοποιήστε την ιδανική δίοδο για την επαφή base-emitter και χρησιµοποιήστε την σχέση βi B για να προσδιορίσετε το I C. εύτερη: χρησιµοποιήστε την προσέγγιση σταθερής πτώσης τάσης για το V BE και χρησιµοποιήστε την σχέση βi B για να προσδιορίσετε το I C. Τρίτη: Λύνονται οι εξισώσεις συνήθως µε την χρήση υπολογιστή (simulation). 24

εύτερη προσέγγιση: V BE = 0.7 V β dc I B V CE 25

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 26

I B = V BB -V BE R B I B = 5 V - 0.7 V 100 kω = 43 µa R C 100 kω R B V CC V BB 5 V V BE = 0.7 V 27

I C = β dc I B I C = 100 x 43 µa = 4.3 ma R C V BB 100 kω R B I B = 43 µa 5 V β dc = 100 V CC 28

V RC = I C x R C V RC = 4.3 ma x 1 kω = 4.3 V 100 kω 1 kω I C = 4.3 ma R C V BB R B 5 V I B = 43 µa 12 V V CC 29

V CE = V CC -V RC I C = 4.3 ma V CE = 12 V - 4.3 V = 7.7 V 1 kω R C 100 kω V CE V BB R B 5 V I B = 43 µa 12 V V CC 30

4.6.1 Ανάλυση κυκλωµάτων transistor στο DC 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 ΗεπαφήB-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 31

4.6.2 β = 100 Βρόγχος τάσης B-E 5 = IBRB + VBE, λύνουµεωςπροςib IB = (5 - VBE)/RB = (5-.7)/100k = 0.043mA IC IC = βib = (100)0.043mA = 4.3mA IB IE VC = 10 - ICRC = 10-4.3(2) = 1.4V 32

4.8 VE = 0 -.7 = - 0.7V β = 50 IE = (VE - -10)/RE = (-.7 +10)/10K = 0.93mA IC IC IE = 0.93mA IB IB = IC/β =.93mΑ/50 = 18.6µΑ IE VC = 10 - ICRC = 10 -.93(5) = 5.35V VCE = 5.35 - -0.7 = 6.05V 33

Συνδεσµολογίες Τρανζίστορ

Χαρακτηριστικές καµπύλες σε συνδεσµολογία CE (περιοχές λειτουργίας του) Ορίζονται τρείς περιοχές εξόδου: ΗπεριοχήΚόρουγιαVCE<VCESAT, Η Περιοχή Αποκοπής (η VBE<0.7V)

Χαρακτηριστικές καµπύλες σε συνδεσµολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Φαινόµενο Early

Γραφικήαναπαράστασητων χαρακτηριστικών του τρανζίστορ IC IB Output circuit Input circuit IE 38

Χαρακτηριστική εισόδου IB IB 0.7V VBE Όµοια µε µια δίοδο VBE 0.7V 39

Χαρακτηριστικές εξόδου IC IC IB = 40µA IB = 30µA IB = 20µA IB = 10µA Early voltage Cutoff region Για συγκεκριµένο IB, το IC είναι σχεδόν ανεξάρτητο από την VCE Η µικρή κλίση των χαρακτηριστικών µας δείχνει πως υπάρχει µια µικρή εξάρτηση στην πραγµατικότητα VCE 40

Πολώνοντας ένα τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή Το σηµείο λειτουργίας (ηρεµίας-quiescence) (Q-σηµείο) καθορίζεται από τις συγκεκριµένες τιµές των IC, VCE, and IB. 41

Ευθεία φόρτου-load line Input circuit B-E voltage loop VBB = IBRB +VBE IB = (VBB -VBE)/RB 42

Ευθεία φόρτου-load line IB = (VBB -VBE)/RB VBB/RB If VBE = 0, IB = VBB/RB If IB = 0, VBE = VBB 43

Ευθεία φόρτου-load line Output circuit C-E voltage loop VCC = ICRC +VCE IC = (VCC -VCE)/RC 44

Ευθεία φόρτου-load line IC = (VCC -VCE)/RC VCC/RC If VCE = 0, IC = VCC/RC If IC = 0, VCE = VCC 45

Ευθεία φόρτου-load line Input signal Output signal 46

Επίδραση του σηµείου πόλωσης Load-line A results in bias point Q A which is too close to V CC and thus limits the positive swing of v CE. Load-line B results in an operating point too close to the saturation region, thus limiting the negative swing of v CE. 47 47

Πόλωση διπολικών τρανζίστορ Πόλωση βάσης εκποµπού (σελ. 134) Πόλωση µε διαιρέτη τάσης (σελ. 141) 48

49

Πόλωση µεδιαιρέτητάσηςστην βάση 50

I IB Prob. 4.32 Use a voltage divider, RB1 and RB2 to bias VB to avoid two power supplies. Make the current in the voltage divider about 10 times IB to simplify the analysis. Use VB = 3V and I = 0.2mA. (a) RB1 and RB2 form a voltage divider. Assume I >> IB AND I = VCC/(RB1 + RB2).2mA = 9 /(RB1 + RB2) VB = VCC[RB2/(RB1 + RB2)] 3 = 9 [RB2/(RB1 + RB2)], Solve for RB1 and RB2. RB1 = 30KΩ, and RB2 = 15KΩ. 51 51

Prob. 4.32 Find the operating point Use the Thevenin equivalent circuit for the base Makes the circuit simpler VBB = VB = 3V RBB is measured with voltage sources grounded RBB = RB1 RB2 = 30KΩ 15KΩ =. 10KΩ 52 52

Prob. 4.32 Write B-E loop and C-E loop B-E loop VBB = IBRBB + VBE +IERE C-E loop C-E loop VCC = ICRC + VCE +IERE B-E loop Solve for, IC, VCE, and IB. This is how all DC circuits are analyzed and designed! 53 53

54

Πόλωση µε ανάδραση από τον εκποµπό (σελ. 149) 55

56

Να υπολογισθούν: 57

58

59

60

61

62

Απλά Παραδείγµατα Εφαρµογών Τρανζίστορ

Έλεγχος κινητήρα µε τρανζίστορ H-Bridge Motor Driver Circuit Four transistors form the vertical legs of the H, while the motor forms the crossbar In order to operate the motor, a diagonally opposite pair of transistors must be enabled Transistors Q1 and Q4 enabled Starting with the positive power terminal, current flows down through Q1, through the motor from left to right, down Q4, and to the negative power terminal Results in motor rotating in a clockwise direction Transistors Q2 and Q3 enabled Results in current flowing through the motor from right to left Q1 and Q4 enabled Q2 and Q3 enabled