Bjt

Podstawy Technologii Komputerowych dr inż. Krzysztof MURAWSKI mgr inż. Józef TURCZYN Tel.: 6837752, E-mail: [email protected] 71

Tranzystory bipolarne i unipolarne BIPOLARNE (BJT – Bipolar Junction Transistor) STEROWANE PRĄDOWO, czyli aby IC ≠ 0 musi IB ≠ 0

UNIPOLARNE (FET – Field Efect Transistor) STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM występującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem UGS wytwarzającym to pole, ale IG ≈ 0 72 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny NPN Kolektor

Baza

N P N

Kolektor

Baza

Emiter

Emiter 73 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny NPN BJT – Bipolar Junction Transistor Kolektor

Baza

N P N Emiter

p

E

B

C

n+

p

n+

p

n

p

n+

n+ ≈ 1018 cm-3 n ≈ 1022 cm-3 – dla metalu 74 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny PNP Kolektor

Baza

P N P

Kolektor

Baza

Emiter

Emiter 75 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego IE

Wspólna baza: WB /OB, ang. CB/ IC

C

E

IB

Uwe B

I E = IC + I B I C = α 0 I E + I CBO

U wy

α 0 < 1 - wsp. wzmocnienia prądowego ogólnie:

dla składowej stałej w układzie WB

dI C α= dI E I CBO

U CB = const

IC ; α0 = IE

I CB 0 ≈ 0

~ 10−6 A dla Ge − prąd zerowy kolektora  −9 ~ 10 A dla Si  76

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego Wspólny kolektor: WC /OC, ang. CC/ IE

U BE IB

E B

Uwe

Tranzystor pracuje jako wtórnik emiterowy, bo: C

IC

U wy

RL

U wy = U we − U BE Na obciążeniu w emiterze „powtarzany” jest przebieg wejściowy Współczynnik wzmocnienia prądowego:

I E IC + I B IC = = + 1 = β0 + 1 IB IB IB 77 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego Wspólny emiter: WE /OE, ang. CE/ Tranzystor rzeczywisty IC

Tranzystor idealny

I CB 0

IC IB

C

B

Uwe

IB

E

IE

U wy

I B' B

I C' C

E

U wy

Uwe Tranzystor idealny

IE 78

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego Wspólny emiter: WE /OE, ang. CE/ IC

I CB 0

IB

I B' B

Tranzystor pracuje jako wzmacniacz:

I B' = I B + I CB 0

I C' C

E

U wy

Uwe IE

I C' β0 = ' IB ogólnie:

Współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowej stałej w układzie WE

dI C β= dI B

U CE = const

I E = IC + I B

I C = I C' + I CB 0 I C = β 0 I B' + I CB 0 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

79

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

I CB 0

IB

I B' B

Wspólny emiter: WE /OE, ang. CE/ I E = IC + I B IC I C = I C' + I CB 0 I C = β 0 I B' + I CB 0 I C = β 0 ( I B + I CB 0 ) + I CB 0 I C' , stąd: C I C = β 0 I B + ( β 0 + 1) I CB 0 E

U wy

Uwe IE

I CB 0 = 10−9 A dla Si przyjmujemy:

IC = β0 I B

I E = I C + I B = ( β 0 + 1) I B © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

80

Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego Wspólny emiter: WE /OE, ang. CE/

I B' B

IC = β0 I B I E = I C + I B = ( β 0 + 1) I B I E = ( β 0 + 1) I B ;

IC

I CB 0

IB

przyjmujemy:

I C' C

E

U wy

Uwe IE

IE = 1 + β0 IB

x = x*1

β0 I E IC = 1 + β0 ; = 1 + β0 α0 I B IC

α0 β0 β0 = ; α0 = 1 + β0 1 − α0

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

81

Małosygnałowy model „h” tr. bipolarnego Parametry „h” maja różne wymiary, stąd nazwa: równania mieszane lub hybrydowe (ang. hybrid).

i2 i1

u1

1

2 u2

1′

2′

Czwórnik - tranzystor może występować w konfiguracjach: WB, WC, WE.

u1   i1  u1   h11  i  = [ h ] u  ⇔  i  =  h  2  2  2   21 stąd:

h12   i1  h22  u2 

u1 = h11i1 + h12 u2 i2 = h21i1 + h22u2 82

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Małosygnałowy model „h” tr. bipolarnego h11e h12 e h21e h22 e

u1 = i1 u1 = u2 i2 = i1 i2 = u2

; ( hie ) - impedancja wejściowa [kΩ], u2 = 0

; ( hre )

- wsp. oddziaływania zwrotnego,

i1 = 0

u2 = 0

; ( h fe ) - wsp. wzmocnienia prądowego,

; ( hoe ) i1 = 0

mA  - admitancja wyjściowa,  mS , , µΩ −1  V   83 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Małosygnałowy model „h” tr. bipolarnego i2

i1

u1

1

B

2

u1

u2

1′

2′

i1

E

1

h11

1′

h12 u2

2

∼

h21i1

h22

2′

i2

C u2

E

W czwórniku tranzystor może występować w konfiguracjach: WB, WC, WE. Mówimy wtedy o następujących parametrach:

h11e ,… , h22 e h11b ,… , h22b h11c ,… , h22 c h21E , hFE → β 0 h21e , h fe → β

- dla tranzystora w układzie WE - dla tranzystora w układzie WB - dla tranzystora w układzie WC - wsp. wzm. prądowego dla składowej stałej - wsp. wzm. prąd. dla skł. zmiennej (np. przy f = 1kHz) 84 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Model hybryd „Π” tr. bipolarnego Stosowany jeśli uwzględnić należy pojemności złącz emiter-baza i baza-kolektor.

rb′c

i2 i1

u1

1

B

2 u2

1′

2′

i1

u1

rbb′

g′

U b′e rb′e

∂I C I ≈ C ∂U BE VT

h21e rb′e = gm

= T = 300 K

Cb′e

g mU b′e

rce

C u2

E

E

rbb′ = h11e − rb′e = 60 ÷ 100Ω gm =

iC

Cb′c

- rezystancja rozproszenia bazy

IC  mA  - transkonduktancja ≈ 39 × I C   0,026  V  (nachylenie charakterystyki

w punkcie pracy) - rezystancja złącza BE spolaryzowanego w kierunku przewodzenia 85 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Model hybryd „Π” tr. bipolarnego Stosowany jeśli uwzględnić należy pojemności złącz emiter-baza i baza-kolektor.

rb′c i2 i1

u1

1

B

2 u2

1′

2′

i1

u1

rbb′

g′

U b′e rb′e

iC

Cb′c

Cb′e

g mU b′e

rce

C u2

E

E

Cb′e ( Ce ) - pojemność łącza BE

Cb′c ( CC ) - pojemność złącza CB

Pojemności pomijamy dla f < 100kHz, nie mogą być pominięte dla f > 10MHz.

rb′c , rce

- rezystancje sprzężenia zwrotnego i wyjściowa – rzędu MΩ (mogą być pominięte)

Parametry modeli „h” i „Π” można wyznaczyć na podstawie charakterystyk tranzystora. 86 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Parametry modeli „h” i hybryd „Π” Na podstawie charakterystyki IC=f (UCE)

h21e

h22 e

∂iC ∆I C = ≈ ∂ib ∆I B

U CE = const

∂iC ∆I C = ≈ ∂uce ∆U CE

I B = const

Na podstawie charakterystyki IC=f (UBE) C

B U be

E

rbb′ ≈ h11e

g mU be

E

∂iC ∆I C gm = ≈ ∂ube ∆U BE 87

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny

Stany pracy tranzystora

Stan aktywny

Stan nasycenia

Stan zatkania

88 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny Stany pracy tranzystora – stan aktywny /układ OE/ W stanie aktywnym tranzystor pracuje jako wzmacniacz sygnałów przykładanych pomiędzy bazę i emiter. Prąd IC zależy wówczas proporcjonalnie od prądu IB.

I C = β I B ; β - stała (współczynnik wzmocnienia prądowego)

UCE jest rzędu kilku V i zmienia się w takt IB

U CB Kolektor Baza

Złącza spolaryzowane odpowiednio: Baza - emiter – w kierunku przewodzenia; Baza – kolektor – w kierunku zaporowym.

U CE Emiter

UBE > 0; UCB > 0; UCE > 0

U BE 89 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny Stany pracy tranzystora – stan nasycenia /układ OE/ W stanie nasycenia prąd IC = ICES ma wartość maksymalną, niezależną od prądu bazy IB, ograniczoną tylko zewnętrzną rezystancją układu. Napięcie UCE będzie bliskie zera, UCE = UCES ≈ 0.2 – 0.5V.

U CB Kolektor Baza

U CE Emiter

U BE

Złącza spolaryzowane odpowiednio: Baza - emiter – w kierunku przewodzenia; Baza – kolektor – w kierunku przewodzenia.

UBE > 0; UCB < 0; UCE ≈ 0

UCES – UCE saturation ICES – IC saturation - nasycenia 90 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny Stany pracy tranzystora – stan zatkania /układ OE/ W stanie zatkania nie płynie prąd bazy IB. Złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku zaporowym, stąd nie płynie prąd kolektora IC.

U CB Kolektor Baza

U CE Emiter

U BE

Złącza spolaryzowane odpowiednio: Baza - emiter – w kierunku zaporowym; Baza – kolektor – w kierunku zaporowym.

UBE < 0; UCB > 0; UCE ≈ UCC

UCC – napięcie zasilania 91 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Tranzystor bipolarny – stany pracy I C [ mA]

PMAX

I CMAX

9 1 I 10 B > IB > … > IB > IB

I B9 enia

I B8

Obs za

r na syc

I

I CQ

Ograniczenie obszaru pracy tranzystora przez: - ICMAX; - UCEMAX; - PMAX.

7 B

I B6 I B5 I B4

Q

I B3 I B2 Obszar aktywny

Obszar zatkania Q U CE

Q – punkt pracy tranzystora

U CEMAX

Jeśli tranzystor ma pracować jako: 1 IB - wzmacniacz – Q musi być w obszarze aktywnym; IB = 0 - przełącznik – Q musi być w obszarze nasycenia lub U CE [V ] zatkania. 92

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Uproszczone modele tranzystora bipolarnego W stanie zatkania

W stanie aktywnym

C

B IB = 0

i2

h11 h12 u2

u1

E

∼

h21i1

h22

E

W stanie nasycenia

IB ≥ k

I CMAX

β

C u2

E

W stanie aktywnym – uproszcz. model „h” i1 = iB

C

E

i1

B

i2 = iC

h11

u1

E

współczynnik przesterowania © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

C h21iB

u2

E 93

Tranzystor bipolarny jako wzmacniacz I C [ mA]

PMAX

I CMAX

U CC RC

t

I CSM =

IC

I B" I BQ

I CQ

I B'

IB

t

Q

Q U CE

I CQ RC

U CC

U CEMAX

U CE [V ]

IE

Składowa stała

Składowa zmienna

t

Punkt pracy tranzystora Q musi być w obszarze aktywnym.

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

94

Wybrane obudowy tranzystorów SOT - 143

SOT - 363

SOT-123

SOT - 23

TO – 50(3)

SOD-323

SOT - 323

95 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Wybrane obudowy tranzystorów i diod półprz. Tranzystory

TO-220 TO92 TO92- TO-220V

TO-220H

Diody

TO18 SOT23

KATODA

Rezonatory kwarcowe

96 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Wybrane obudowy tranzystorów

TO92

TO92-

SOT23 TO-220V TO-220

TO-220H

TO18

Tranzystory Diody

KATODA

Rezonatory kwarcowe

97 © K. MURAWSKI, J. TURCZYN

Sprawdź się sam! – jaką funkcję logiczną realizuje poniższy układ? I CC

mA RC = 1K

R B1 = 10 K 5K A

B

D1

C

F

D3 T

D2

RB 2 =

UI

V

UC

5K

V

UO

Ucc=+5V

1K

A 0

UIA [V] 0.0

B 0

UIB [V] 0.0

0

0.0

1

+5.0

1

+5.0

0

0.0

1

+5.0

1

+5.0

UC [V]

© K. MURAWSKI, J. TURCZYN

UOF [V]

F=..........

98