ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Μελετώνται οι χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ και η λειτουργία του σε συνδεσμολογία κοινής βάσης. Επίσης στόχος είναι να κατανοηθούν και να μετρηθούν οι παράμετροι α και β του τρανζίστορ. Εισαγωγή 1. To τρανζίστορ διπολικής επαφής Το τρανζίστορ διπολικής επαφής (ipolar Junction Transistor - JT) ή διπολικό τρανζίστορ (ipolar Transistor) είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο με δύο επαφές ημιαγωγού. Η δομή του και το σύμβολό του φαίνεται στο Σχήμα 1. Έχει τρείς στρώσεις ημιαγωγών που εναλλάσσεται μεταξύ τύπου P και τύπου Ν, όπου η μεσαία στρώση, κατασκευαστικά, είναι πάρα πολύ λεπτή συγκρινόμενη με τις άλλες. Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ ανάλογα με τη διάταξη των ημιαγωγών στην εσωτερική τους δομή, τα ΝΡΝ και τα ΡΝΡ. Υπάρχουν τρεις ακροδέκτες, ο συλλέκτης (ollector ), η βάση (ase ) και ο εκπομπός (emitter ). Εκπομπός είναι ο ακροδέκτης με το βέλος και όταν έχει φορά προς τα έξω τότε το τρανζίστορ είναι ΝΡΝ, ενώ αντίθετα είναι ΡΝΡ. N P N P N P NPN PNP Σχήμα 1: Δομή και σύμβολο του διπολικού τρανζίστορ 1
Το διπολικό τρανζίστορ θα αναφέρεται συχνά απλώς ως τρανζίστορ παραλείποντας τη λέξη διπολικό για χάριν συντομίας. Θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι η δομή του τρανζίστορ είναι αντίστοιχη με δύο διόδους ενωμένες όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Ωστόσο, στην πράξη δεν μπορεί να γίνει η αντικατάσταση αυτής της δομής με διακριτά στοιχεία διόδων, καθώς έχει μεγάλη σημασία, κατασκευαστικά, ο τρόπος εναπόθεσης των στρώσεων των διαφορετικών ημιαγωγών. NPN PNP Σχήμα 2: Το τρανζίστορ ως δύο δίοδοι 2. Συνδεσμολογία και πόλωση των τρανζίστορ Καθώς το τρανζίστορ έχει τρεις ακροδέκτες έχει και τρεις διαφορετικούς τρόπους συνδεσμολογίας, ανάλογα με τον ακροδέκτη που είναι κοινά συνδεδεμένος μεταξύ εισόδου και εξόδου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 οι τρόποι σύνδεσης είναι σε α) συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (common emitter - ), β) συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (common collector - ) και γ) συνδεσμολογία κοινής βάσης (common base - ). Στο Σχήμα 3 φαίνεται η συνδεσμολογία για τρανζίστορ ΝΡΝ αλλά αντίστοιχα είναι και για τρανζίστορ ΡΝΡ. είσοδος έξοδος είσοδος έξοδος είσοδος έξοδος Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη Σχήμα 3: Συνδεσμολογίες του τρανζίστορ Συνδεσμολογία κοινής βάσης Με τη λέξη πόλωση εννοούμε την εφαρμογή κατάλληλων συνεχών τάσεων στους ακροδέκτες του τρανζίστορ ώστε αυτό να λειτουργεί σε ηρεμία στο επιθυμητό σημείων των χαρακτηριστικών του. Όπως θα εξηγηθεί στη συνέχεια ανάλογα με την πόλωση, αλλάζει ο τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ, αλλά κατά την κανονική του λειτουργία (ως ενισχυτής) η επαφή βάσης-εκπομπού συνδέεται σε ορθή πόλωση και η επαφή συλλέκτη-βάσης σε ανάστροφη πόλωση. 3. Λειτουργία του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινής βάσης Η πόλωση ενός τρανζίστορ ΝΡΝ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού φαίνεται στο Σχήμα. Για ένα τρανζίστορ ΡΝΡ οι τάσεις θα έχουν αντίστροφη πολικότητα. Η επαφή ΒΕ βρίσκεται σε ορθή πόλωση ενώ η επαφή σε ανάστροφη. Το ρεύμα βάσης Ι Β εισέρχεται προς την βάση ενώ το ρεύμα εκπομπού Ι Ε εξέρχεται από τον εκπομπό. Το ρεύμα συλλέκτη I εισέρχεται προς τον συλλέκτη. 2
V I I - + + - V I Σχήμα 4: Το διπολικό τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης I I I { n I p N ηλεκτρόνια οπές P N I επανασύνδεση I - + + -V V I Σχήμα 5: Πόλωση και κίνηση φορέων στο διπολικό τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Το Σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί με το Σχήμα για την κατανόηση της δημιουργίας των ρευμάτων στο τρανζίστορ. Το Ι Β είναι ένα πολύ μικρό ρεύμα που αποτελείται κυρίως από φορείς πλειονότητας. Ενώ θα περίμενε κανείς, λόγω της ανάστροφης πόλωσης της επαφής, να μην υπάρχει ρεύμα συλλέκτη, ωστόσο αυτό παράγεται από ηλεκτρόνια των φορέων μειονότητας στη βάση, τα οποία διαχέονται προς το συλλέκτη εξαιτίας του πεδίου που αναπτύσσεται κατά την περιοχή απογύμνωσης στην επαφή. Το I είναι πολύ μεγαλύτερο του I και καθορίζεται από τον παράγοντα β που ορίζεται ως το κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ΚΕ, (1) Η παράμετρος β παίρνει μεγάλες τιμές που εξαρτώνται από το τρανζίστορ και κυμαίνονται συνήθως από 50 έως και 500. Η παράμετρος β συχνά εμφανίζεται στη βιβλιογραφία ως h F. Το συνολικό ρεύμα I προκύπτει από το άθροισμα των ρευμάτων I και Ι Β όπως φαίνεται από το Σχήμα. Αν θεωρήσουμε ότι τα ρεύματα είναι θετικά όταν εισέρχονται στο τρανζίστορ και αρνητικά όταν εξέρχονται, τότε προκύπτει ότι ΙΕ = - ( Ι + ΙΒ ) (2) Καθώς η φορά των ρευμάτων είναι γνωστή στο τρανζίστορ, πολύ συχνά για πρακτικούς λόγους, θεωρούμε την παραπάνω σχέση με τις απόλυτες τιμές τους. Δηλαδή θεωρούμε ότι Ι Ε = Ι + Ι Β (3) 3
Μια επίσης σημαντική παράμετρος είναι η παράμετρος α που ορίζεται ως το κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινής βάσης και παίρνει τιμές λίγο μικρότερες από τη μονάδα (1). (4) Από τις ανωτέρω προκύπτει ότι (5) Οι χαρακτηριστικές εισόδου στη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού φαίνονται στο Σχήμα. Καθώς η επαφή ΒΕ πολώνεται ορθά οι χαρακτηριστικές εισόδου θα έχουν τη μορφή μιας ορθά πολωμένης διόδου. Η χαρακτηριστική εισόδου δίνει τη σχέση του ρεύματος εισόδου Ι Ε σε σχέση με την τάση εισόδου V όταν η τάση V είναι σταθερή (6) Η χαρακτηριστικές εισόδου μεταβάλλουν ελαφρά τη μορφή τους με τη μεταβολή της τάσης V. I (ma) V Β 5 2 0 0.5 1 V (V) Σχήμα 6: Χαρακτηριστικές εισόδου σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης 4. Λειτουργία του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Αν και όλες οι συνδεσμολογίες που είχαν αναφερθεί προηγουμένως μπορούν να βρεθούν στα κυκλώματα, η λειτουργία σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού είναι από τις πιο συνήθεις σε πραγματικά κυκλώματα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα, η επαφή ΒΕ πολώνεται ορθά και άρα λειτουργεί όπως μια ορθά πολωμένη δίοδος. Η χαρακτηριστική εισόδου περιγράφει τη σχέση του ρεύματος βάσης I σε σχέση με την τάσης βάσης εκπομπού V, (7) και μοιάζει με τη χαρακτηριστική μια απλής διόδου όπως φαίνεται στο Σχήμα. Γενικά το ρεύμα βάσης είναι πολύ μικρότερο συγκρινόμενο με το ρεύμα συλλέκτη I και το ρεύμα εκπομπού I. Στην πραγματικότητα η χαρακτηριστική μπορεί να μεταβάλλεται ελαφρώς ανάλογα με την τάση V, όπως δεικνύεται στο Σχήμα. 4
I V + - I + - V (>V Β ) I Σχήμα 7: Το τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. I (μa) V 0 2 5 0.5 1 V (V) Σχήμα 8: Χαρακτηριστική εισόδου του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κ.Ε. Η τάση V είναι τέτοια ώστε η επαφή συλλέκτη βάσης να είναι ανάστροφα πολωμένη. Άρα η τάση V πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση V. Καθώς η επαφή συλλέκτη βάσης είναι ανάστροφα πολωμένη, φαινομενικά δεν πρέπει να άγει. Ωστόσο, καθώς η επαφή άγει, το ρεύμα εκπομπού (που αποτελείται από φορείς μειονότητας για τη βάση) διαπερνά την πολύ λεπτή βάση και συνεχίζει δημιουργώντας ένα μεγάλο ρεύμα συλλέκτη. Οι χαρακτηριστικές εξόδου του διπολικού τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (Κ.Ε.) δείχνουν τη σχέση μεταξύ του ρεύματος I ως προς την τάση V και έχουν τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι η χαρακτηριστική εξαρτάται όχι μόνο από την V αλλά και από την τιμή του ρεύματος βάσης Ι Β. (8) 5. Περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ Στο Σχήμα μπορούν να διακριθούν τρεις περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ: 1) Η ενεργός περιοχή όπου η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) είναι ορθά πολωμένη και η επαφή βάσης συλλέκτη (Β) είναι ανάστροφα πολωμένη. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύει προσεγγιστικά η σχέση I = β I. Λόγω του φαινομένου arly τα οριζόντια ευθύγραμμα τμήματα των χαρακτηριστικών έχουν μία μικρή κλίση προς τα πάνω. Η κλίση σχετίζεται και με την αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ. 5
2) Η περιοχή αποκοπής όπου και η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) και η επαφή βάσης συλλέκτη (Β) είναι ανάστροφα πολωμένες. Σε αυτήν την περίπτωση όλα τα ρεύματα θεωρούνται μηδενικά I = I Ε = I = 0. Στην πραγματικότητα το ρεύμα συλλέκτη είναι πάρα πολύ μικρό και ίσο με I = ( 1 + β ) I O, όπου I O είναι το ρεύμα συλλέκτη ανάστροφης πόλωσης συλλέκτη βάσης με ανοικτό τον εκπομπό. 3) Η περιοχή κόρου όπου και η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) και η επαφή βάσης συλλέκτη (Β) είναι ορθά πολωμένες. Σε αυτήν την περίπτωση η τάση V είναι έως περίπου 0.2V και τα ρεύματα του τρανζίστορ καθορίζονται από τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος όπου αυτό είναι συνδεδεμένο. I περιοχή κόρου ενεργός περιοχή I Β3 I Β2 0 περιοχή αποκοπής I Β1 I Β =0 V Σχήμα 9: Χαρακτηριστικές εξόδου διπολικού τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κ.Ε. 6. Ευθεία φόρτου στο συνεχές Έως τώρα αναφέρθηκαν οι περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ όμως για να λειτουργήσει μέσα σε ένα κύκλωμα πρέπει να συνδεθεί με κατάλληλες αντιστάσεις ώστε να προσφέρονται οι κατάλληλες συνθήκες πόλωσης. Ένα κύκλωμα σταθερής πόλωσης του τρανζίστορ φαίνεται στο Σχήμα. V R R I V OUT V IN I V Σχήμα 10: Κύκλωμα τρανζίστορ σε σύνδεση κοινού εκπομπού Αναλύοντας το κύκλωμα για τον βρόγχο εξόδου προκύπτει ότι, ή (9) (10) 6
Η εξίσωση αυτή δείχνει μια γραμμική σχέση μεταξύ ρεύματος συλλέκτη I και τάσης V και αποτυπώνεται με μια ευθεία που λέγεται ευθεία φόρτου στο συνεχές και χαράσσεται μαζί με τις χαρακτηριστικές εξόδου όπως φαίνεται στο Σχήμα. Η ευθεία εξαρτάται από την τιμή της τάσης τροφοδοσίας V και την τιμή της αντίστασης R. Η κλίση της είναι ίση με -1/R. I V R ευθεία φόρτου κλίση = - Q 1 R I Β3 I Β2 0 V I Β1 I Β =0 V Σχήμα 11: Ευθεία φόρτου και σημείο λειτουργίας Η ευθεία φόρτου δείχνει τις θέσεις που κινείται το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ Q(V, I ) για το κύκλωμα του τρανζίστορ με τις συγκεκριμένες V και R. Ταυτόχρονα όμως για την πόλωση του τρανζίστορ ισχύουν και οι χαρακτηριστικές εξόδου, που συσχετίζουν το ρεύμα συλλέκτη I με το ρεύμα βάσης I. Έτσι για δεδομένο ρεύμα βάσης I εμφανίζεται ένα συγκεκριμένο ρεύμα συλλέκτη I το οποίο δίνει μία συγκεκριμένη τιμή της τάσης συλλέκτη εκπομπού V. Με τον τρόπο αυτό καθορίζεται με ακρίβεια το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. Όταν το τρανζίστορ λειτουργεί ως ενισχυτής πρέπει να έχει περιθώριο ώστε οι μεταβολές της εισόδου του να μεταφέρονται στην έξοδο. Έτσι θα πρέπει το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται στο μέσο της ενεργού περιοχής, ώστε να έχει περιθώριο να λειτουργεί μέσα σε αυτή, τόσο για θετικές όσο και για αρνητικές μεταβολές του ρεύματος βάσης Ι Β γύρω από το σημείο λειτουργίας. 7. Παράμετροι μικρού σήματος (υβριδικές παράμετροι) Κάθε τρανζίστορ που λειτουργεί μέσα σε ένα κύκλωμα, τίθεται αρχικά σε κατάλληλη πόλωση και λειτουργεί κάτω από ένα ρεύμα ηρεμίας του συλλέκτη I Q και σε μία τάση ηρεμίας συλλέκτη εκπομπού V Q. Τότε μπορεί να δειχθεί το σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορ αποτελούμενου από το ζεύγος τιμών I Q και V Q πάνω στο επίπεδο των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ. Όταν το σημείο ηρεμίας του τρανζίστορ τίθεται εντός της ενεργού περιοχής και στην είσοδο του τρανζίστορ εφαρμόζεται ένα πολύ μικρό εξωτερικό σήμα, τότε μπορεί να θεωρηθεί ότι όλες οι μεταβολές των τάσεων των ρευμάτων του τρανζίστορ είναι γραμμικές. Η λειτουργία στην ενεργό περιοχή με ταυτόχρονη εφαρμογή μικρού σήματος εφαρμόζεται κυρίως στα αναλογικά κυκλώματα, ενώ στα ψηφιακά κυκλώματα η λειτουργία του τρανζίστορ γίνεται με μεγάλες μεταβολές μεταξύ της περιοχή κόρου και της περιοχής αποκοπής. Κατά τη λειτουργία μικρού (ή ασθενούς) σήματος, η λειτουργία μπορεί να περιγραφεί με τη χρήση των υβριδικών h-παραμέτρων μικρού σήματος και με το απλοποιημένο υβριδικό ισοδύναμο μοντέλο του τρανζίστορ για μικρό σήμα (Σχήμα). Εάν 7
κάποιος θελήσει να προσεγγίσει τη λειτουργία του τρανζίστορ με μεγαλύτερη ακρίβεια τότε μπορεί να χρησιμοποιήσει το υβριδικό ισοδύναμο για μικρό σήμα, του Σχήματος 13, που περιλαμβάνει περισσότερες παραμέτρους. i b i c h ie h fe i b Σχήμα 12: Ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ μικρού σήματος i b i c h ie h fe i b 1/h oe h re v Σχήμα 13: Ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ μικρού σήματος Οι παράμετροι μικρού σήματος δίδονται από τις παρακάτω σχέσεις, αντίσταση εισόδου συντελεστής ανατροφοδότησης ενίσχυση ρεύματος (10) αγωγιμότητα εξόδου 8
ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. 9
Πρακτική Άσκηση 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι όποτε δεν χρησιμοποιείτε αμπερόμετρο, πρέπει να βάζετε βραχυκύκλωμα, ενώ όποτε δεν χρησιμοποιείτε βολτόμετρο να αφήνετε το κύκλωμα ανοικτό. Συνδέστε τα δύο τροφοδοτικά με προσοχή στις πολικότητες, -15 για το ένα και +5 για το άλλο, όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο πυκνωτής έχει τεθεί για λόγους σταθερότητας του κυκλώματος και δεν επηρεάζει τις μετρήσεις. -15 V 1 KΩ I I A 4.7 KΩ 0.1 μf +5 V 0 V V Α I 0 Είναι σωστές οι πολικότητες των πηγών όπως έχουν τεθεί και γιατί; 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική εισόδου α) Θέτουμε το ποτενσιόμετρο στο μηδέν (V = 0) και μετά το περιστρέφουμε αργά έως ότου μόλις αρχίσει να αυξάνει το I. Εκείνη τη στιγμή μετράμε την V Ε. V ΒΕ = Είναι αναμενόμενη η τιμή που μετρήσατε και γιατί; 10
β) Αυξάνουμε την V Ε με το ποτενσιόμετρο σταδιακά ώστε να παίρνετε τις τιμές του I που φαίνονται στον παρακάτω πίνακα και μετρήστε τις τιμές για το I. Να υπολογίσετε στη συνέχεια και να συμπληρώσετε τις τιμές για τα I ( = Ic + I ), β και α. I (ma) I (μa) V (V) I Ε (ma) β α 1.0 3.0 5.0 7.0 9.0 10.0 15.0 γ) Υπάρχουν μεταβολές των α και β; Είναι αναμενόμενες και γιατί; δ) Κάνετε σύγκριση μεταξύ των τιμών I Β, I και I. 11
3) Με τις τιμές του παραπάνω πίνακα για τα I και V να σχεδιάσετε την χαρακτηριστική εισόδου του τρανζίστορ κοινής βάσης. I Ε (ma) 0 V (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστική εισόδου τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ΚΒ 12