Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών & Πληροφορικής Μάθημα: Βασικά Ηλεκτρονικά Πόλωση των τρανζίστορ ενίσχυσης Εργασία των Άννα Μαγιάκη και Καλλιόπης-Κλέλιας Λυκοθανάση Χειμερινό Εξάμηνο 2017-18 Πηγή: F. Najmabadi, ECE65, Winter 2013 Sedra & Smith (6 th Ed): Sec. 5.4, 5.6 & 6.3-6.4 Sedra & Smith (5 th Ed): Sec. 4.4, 4.6 & 5.3-5.4
Ζητήματα στην ανάπτυξη ενός ενισχυτή τρανζίστορ 1. Να βρεθούν οι i-υ χαρακτηριστικές των στοιχείων για το σήμα ( που μπορεί να είναι διαφορετικές από τις χαρακτηριστικές τους στην εξίσωση για την πόλωση). o Αυτό καταλήγει σε διαφορετικές διαμορφώσεις του κυκλώματος για την πόλωση ως προς το σήμα. 2. Ο υπολογισμός της απόκρισης του κυκλώματος στο σήμα. o Εστίαση στα θεμελιώδη σχήματα των ενισχυτών τρανζίστορ. 3. Πώς θα δημιουργηθεί το σημείο πόλωσης ( πόλωση είναι η κατάσταση του συστήματος κατά την οποία δεν υπάρχει σήμα) o Ένα σταθερό και ανθεκτικό σημείο πόλωσης πρέπει να είναι ελαστικό στις διακυμάνσεις των μ n C ox (W/L), V t (ή του β στα BJT) εξαιτίας μεταβολών της θερμοκρασίας ή/και τις κατασκευαστικές ανοχές. o Οι μικρομεταβολές του σημείου πόλωσης έχουν επίπτωση στην απόκριση μικρού σήματος (όπως για παράδειγμα είναι το κέρδος του ενισχυτή). 2
Πόλωση BJT από τάση στην Βάση (σταθερή πόλωση) * Τυπικά η V BB =V CC, ώστε να μην χρειάζονται επιπλέον τάσεις αναφοράς. 3
Άσκηση 1: Βρείτε τις R C και R B ώστε το BJT να είναι στην ενεργό περιοχή με V CE =5V και I C =25 ma ( V CC =15V, BJT πυριτίου με β=100, V γ =0.7V και V A = ) Το BJT είναι στην ενεργό περιοχή αφού I C > 0 και V CE =5V V γ =0.7V 4
Άσκηση 2: Στο κύκλωμα της άσκησης-1 (R C =400 Ω, R B =57.2 kω, V CC =15V), να βρείτε το σημείο λειτουργίας του BJT αν β=200. Υποθέτουμε ότι το BJT είναι στην ενεργό περιοχή: V ΒΕ =0.7V, I C > 0 και V CE 0.7V Άρα το BJT στον κόρο Σύγκριση με την άσκηση 1: Το I B παραμένει ίδιο. Το I C αυξήθηκε. Η V CΕ μειώθηκε. 5
Γιατί δεν λειτουργεί η Πόλωση BJT από τάση στην Βάση (σταθερή πόλωση); Μεταβολές στο β του BJT μεταβάλουν δραστικά το σημείο πόλωσης. o Το BJT μπορεί εύκολα να καταλήξει στον κορεσμό ή στην αποκοπή. Σε σταθερή πόλωση, το I B καθορίζεται από τη σχέση: I B = V BB V γ R B Το β του BJT θέτει το I C = β I B (το I C αλλάζει ανάλογα με το β ) o Ο βρόχος CE θέτει την τιμή της V CE. Όμως, οι συνθήκες του BJT στην ενεργό περιοχή αφορούν το I C και τη V CE, αλλά όχι το I B! o I C > 0, V CE > V γ Για να γίνει το σημείο πόλωσης ανεξάρτητο των μεταβολών του β, το κύκλωμα πόλωσης πρέπει να θέτει το I C και ΟΧΙ το I B! 6
Πόλωση με εκφυλισμό του εκπομπού Απαιτεί μία αντίσταση στον κλάδο του εκπομπού! Ανεξάρτητο του β! Η συνθήκη της R B <<(β+1)r E, σημαίνει ότι η πτώση τάσης κατά μήκος της R B είναι μικρή και η τάση πόλωσης V BB V γ εμφανίζεται κατά μήκος της R E, θέτοντας έτσι τις τιμές στα I E και I C I E. Παρατηρήστε ότι η αντίσταση R B δεν είναι απαραίτητη στη σταθερή πόλωση, αλλά μπορεί να υπάρχει για άλλους λόγους. 7
Η αντίσταση στον κλάδο εκπομπού δημιουργεί αρνητική ανάδραση! Αρνητική ανάδραση: o Αν I C I E (επειδή β ), ΒΕ KVL V BE BE επαφή o Αν I C I E (επειδή β ), ΒΕ KVL V BE BE επαφή 8
Απαιτούμενα για πόλωση με εκφυλισμό εκπομπού Σύνδεση μιας αντίστασης στον κλάδο του εκπομπού. Η τάση πόλωσης V BB V γ πρέπει να εμφανίζεται κατά μήκος της R E ώστε να θέτει το I Ε I C : 1. o Χρειάζεται να τεθεί η ώστε να διασφαλιστεί ότι αυτή η συνθήκη ικανοποιείται πάντα. 2. V BE V γ. Στην πράξη η όπου η ΔV BE 0.1V o Χρειάζεται να τεθεί ή ή 9
Πόλωση του εκφυλισμού στον εκπομπό από διαιρέτη τάσης Πραγματικό κύκλωμα Ισοδύναμο Thevenin διαιρέτης τάσης 10
Άσκηση 3: Βρείτε το σημείο πόλωσης του BJT (BJT πυριτίου β=200, V γ =0.7V, V A = ). R B = R 1 R 2 =5.9kΩ 34kΩ = (5.9 34) 10-6 / (5.9 +34) 10-3 =5.03 KΩ V BB = R 2 R 1 +R 2 V CC = 5.9 kω 5.9 kω+34kω 15 =2.22V Έστω ότι το BJT βρίσκεται στην ενεργό περιοχή: V ΒΕ =0.7V, I C > 0 και V CE >=0.7V Παρατηρήσεις: 1. Χρειάζεται να λυθεί η πλήρης εξίσωση στον BE-KVL επειδή είναι άγνωστο αν η R B <<(β+1)r E 2. Το β>>1 είναι μια προσέγγιση που συντομεύει τους υπολογισμούς. Οι απαντήσεις με την προσέγγιση του β>>1 είναι: 11
Άσκηση 4: Σχεδιάστε ένα κύκλωμα πόλωσης BJT (εκφυλισμός εκπομπού με διαιρέτη τάσης), τέτοιο ώστε I C =2.5 ma και V CE =7.5V (V CC =15V, BJT πυριτίου με V γ =0.7V, β από 50 έως 200 και V A = ). Βήμα 1: Βρείτε την R C και την R E Επιλέξτε κατά βούληση τις τιμές των R E και R C (θα διαπιστώσετε παρακάτω ότι οι παράμετροι του ενισχυτή θέτουν αυτές τις τιμές). Επιλέξτε: R E =1.0 kω R C =3.0 kω- R E = 2.0 kω Ελέγξτε αν I E R E 1 V I E R E = 2.5 10-3 10 3 = 2.5 V 1 V Αρχικό κύκλωμα 12
Άσκηση 4: Σχεδιάστε ένα κύκλωμα πόλωσης BJT (εκφυλισμός εκπομπού με διαιρέτη τάσης), τέτοιο ώστε I C =2.5 ma και V CE =7.5V (V CC =15V, BJT πυριτίου με V γ =0.7V, β από 50 έως 200 και V A = ), συνέχεια. Βήμα 2: Βρείτε την R B και τη V BB Χρησιμοποιώντας σχετικό σφάλμα, ε=10% χρησιμοποιείστε τη μεγαλύτερη R B (θα καταλάβετε αργότερα γιατί) V BB V γ + I C R E = 0.7 + 2.5x 10-3 x 10 3 V BB =3.20 V Βήμα 3: Βρείτε την R 1 και την R 2 Βήμα 3: Βρείτε τυποποιημένες τιμές των R 13
Κυκλώματα για πόλωση με εκφυλισμό του εκπομπού Βασική διάταξη Πόλωση με ΜΙΑ πηγή τάσης (διαιρέτης τάσης) Πόλωση με ΔΥΟ πηγές τάσης 14
Πόλωση MOS από τάση στην Πύλη (σταθερή πόλωση) Αυτή η μέθοδος ΔΕΝ είναι επιθυμητή γιατί τα μ n C ox (W/L) και V t δεν είναι καλά καθορισμένα. Το σημείο πόλωσης (πχ I D και V DS ) μπορεί να μεταβάλλεται δραστικά εξαιτίας μεταβολών της θερμοκρασίας ή/και τις κατασκευαστικές ανοχές. 15
Πόλωση MOS με εκφυλισμό της Πηγής (η αντίσταση R S δημιουργεί αρνητική ανάδραση!) Αρνητική ανάδραση Αν επειδή Αν επειδή Εξ. Εξ. Η ανάδραση είναι αποδοτικότερη αν: 16
Κυκλώματα πόλωσης MOS από εκφυλισμό της Πηγής Βασική διάταξη Πόλωση με ΜΙΑ πηγή τάσης (διαιρέτης τάσης) Πόλωση με ΔΥΟ πηγές τάσης 17
Άσκηση 5: Βρείτε το σημείο πόλωσης για V T =1V και μ n C ox (W/L)=1.0 ma/v 2 (αγνοήστε την διαμόρφωση εύρους του καναλιού). Διαιρέτης τάσης Άσκηση(επίδραση R S ): Αποδείξτε ότι αν V t =1.5 V ( 50% μεταβολή), τότε το Ι D =0.455 ma (9% μεταβολή) 18
Πόλωση των ICs Οι αντιστάσεις καταλαμβάνουν πολύ χώρο στο chip. Έτσι, η πόλωση με εκφυλισμό του εκπομπού ή της πηγής ΔΕΝ υλοποιείται στα ICs. Ο σκοπός της επιτυχούς πόλωσης είναι να διασφαλίζει ότι τα I C και V CE (ή τα I D και V DS στα MOS) δεν αλλάζουν. Μπορεί να επιβληθεί στο I C (ή το I D στα MOS) να είναι σταθερό, χρησιμοποιώντας μια πηγή ρεύματος. Η πηγή ρεύματος επιβάλλει το I E =I Η πηγή ρεύματος επιβάλλει το I D =I 19
Απόκριση BJT σε πηγή ρεύματος Η πηγή ρεύματος επιβάλλει: 3Β) Η V E καθορίζεται από τον BE-KVL: 0=R B I B + V BE + V E 20
Απόκριση MOS σε πηγή ρεύματος Η πηγή ρεύματος επιβάλλει: καθορίζεται από την σχέση: 21