Tranzystory - opracowanie PDF

Preview

Summary

Download Tranzystory - opracowanie PDF

Description

Jeżeli teraz połączymy dwie diody półprzewodnikowe „plecami”, da nam to dwa złącza PN połączone szeregowo, które mają wspólny obszar P lub N. Połączenie tych dwóch diod tworzy strukturę o trzech warstwach, dwóch złączach i trzech wyprowadzeniach, tworząc prosty tranzystor bipolarny, w skrócie BJT. Tranzystory są trójkońcówkowymi elementami aktywnymi wykonanymi z różnych materiałów półprzewodnikowych, które mogą działać jako izolatory lub przewodniki po przyłożeniu małej amplitudy sygnału. Zdolność tranzystora do przechodzenia między tymi dwoma stanami, pozwala mu wykonywać dwie podstawowe funkcje: przełączać (elektronika cyfrowa) lub wzmacniać (elektronika analogowa). Tranzystor bipolarny może działać w jednym ze stanów:    

Aktywny – tranzystor działa jak wzmacniacz i Ic = β*Ib Nasycenia – tranzystora jest w pełni włączony, działając jak przełącznik, ponadto Ic = I(nasycenia) Zatkania – tranzystor jest całkowicie wyłączony (jak przełącznik), a jego Ic = 0 Stan inwersyjny, w którym emiter spolaryzowany jest w kierunku zaporowym, a kolektor w kierunku przewodzenia. Wzmocnienie prądowe tranzystora w tym stanie jest niewielkie.

Typowy tranzystor bipolarny Słowo tranzystor jest złożeniem dwóch słów: transfer i warystor, które opisują sposób ich działania w początkach rozwoju elektroniki. Istnieją dwa podstawowe typy tranzystorów bipolarnych: PNP i NPN. Nazwy te opisują fizyczne ułożenie warstw półprzewodników, z których zostały wykonane. Podstawowa konstrukcja tranzystora bipolarnego składa się z dwóch złącz PN z trzema doprowadzeniami. Nazwa każdego z nich odróżnia je od pozostałych. Te trzy zaciski są znane i etykietowane jako Emiter (E), Baza (B) i kolektor (C). Tranzystory bipolarne to urządzenia kontroluj��ce natężenie prądu przepływającego z zacisku emitera do wyprowadzenia kolektora. Odbywa się to proporcjonalnie do napięcia sterującego, przyłożonego do zacisku bazy, działając w ten sposób jak przełącznik sterowany prądem. Mały prąd płynący przez doprowadzenie bazy kontroluje znacznie większy prąd kolektora, wywołując akcję tranzystorową. Zasada działania tranzystorów PNP i NPN są dokładnie takie same. Różnica tkwi w ich sterowaniu oraz polaryzacji napięcia zasilającego.

Konstrukcja tranzystora bipolarnego

Konstrukcja i symbole schematowe obu tranzystorów bipolarnych – PNP i NPN – zostały podane powyżej wraz ze strzałkami na symbolu schematowym oznaczającymi konwencjonalny kierunek przepływu prądu między zaciskiem bazy a emitera. Kierunek tych strzałek zawsze wskazuje od obszaru typu P do obszaru typu N, tak samo, jak w zwykłym symbolu diody. Konfiguracja pracy tranzystora bipolarnego Ponieważ tranzystor bipolarny jest elementem o trzech końcówkach, istnieją trzy podstawowe sposoby podłączenia go do układu elektronicznego, z jedna końcówką wspólną dla wejścia i wyjścia. Każda z metod podłączenia inaczej obsłuży sygnał wejściowy, ponieważ charakterystyki tranzystora różnią się w zależności od topologii układu. 

Wspólna baza – posiada wzmocnienie napięciowe, ale nie prądowe



Wspólny emiter – posiada wzmocnienie napięciowe i prądowe Wspólny kolektor – posiada wzmocnienie prądowe, ale nie napięciowe



Konfiguracja wspólnej bazy (WB) Jak nazwa sugeruje, w konfiguracji wspólnej bazy lub z uziemioną bazą, to właśnie zacisk bazy jest wspólny zarówno dla wejścia, jak i dla wyjścia. Sygnał wejściowy jest przyłożony pomiędzy zaciski bazy i emitera, a sygnał wyjściowy jest brany spomiędzy zacisków bazy i

kolektora, jak pokazano na rysunku. Zacisk bazy jest podłączony do masy lub stałego napięcia polaryzującego ją. Prąd wejściowy przepływający przez emiter jest duży, ponieważ jest sumą prądu bazy i prądu kolektora. Prąd kolektora jest niewiele mniejszy od prądu emitera, ponieważ wzmocnienie prądowe wynosi mniej niż „1”. Innymi słowy, ten układ nie wzmacnia prądu, jedynie napięcie. Schemat układu ze wspólną bazą

Ten rodzaj wzmacniacza nie odwraca fazy sygnału wejściowego, więc można powiedzieć, że sygnał wejściowy jest w fazie z sygnałem wyjściowym. Ten typ układu pracy tranzystora nie jest bardzo powszechny ze względu na jego niezwykle niski opór wejściowy (rzędu pojedynczych omów). Jego charakterystyka wejściowa wygląda jak u diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, natomiast wyjście zachowuje się jak źródło prądowe. Wzmocnienie napięciowe układu wspólnej bazy wyraża się następująco: Wzmocnienie napięciowe układu wspólnej bazy

Gdzie: Ic/Ie to wzmocnienie prądowe (alfa – α). Układ wspólnej bazy jest zwykle używany w jednostopniowych układach wzmacniających, takich jak przedwzmacniacze mikrofonowe lub wzmacniacze na częstotliwości radiowe ( Rƒ) ze względu na bardzo dobre charakterystyki w zakresie wysokich częstotliwości. Konfiguracja wspólnego emitera (WE) W konfiguracji wspólnego emitera, lub z uziemionym emiterem, sygnał wejściowy jest przyłożony pomiędzy bazę i emiter, a sygnał wyjściowy jest pobierany spomiędzy kolektora i emitera, jak pokazano niżej. Ten rodzaj konfiguracji jest najczęściej używany we wzmacniaczach tranzystorowych i jest najbardziej „normalną” metodą podłączenia tranzystora bipolarnego. Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera wytwarza największe wzmocnienie prądowe i mocy spośród wszystkich trzech konfiguracji tranzystora bipolarnego. Impedancja wejściowa zależy od punktu pracy tranzystora (zazwyczaj jest rzędu kiloomów), a wyjściowa od użytego rezystora kolektorowego.

Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera

Ponieważ rezystancja obciążenia (RL) jest włączona szeregowo z kolektorem, wzmocnienie prądowe tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera jest wysokie, równa się stosunkowi Ic/Ib. Wzmocnienie prądowe tranzystora oznacza się grecką literą beta (β). Z kolei, stosunek Ic/Ie nazywa się alfa (grecka litera α). Uwaga: wartość parametru alfa zawsze będzie mniejsza od jedności. Ponieważ elektryczna zależność pomiędzy tymi trzema prądami – Ie, Ic i Ib – jest zdeterminowana fizyczną konstrukcją samego tranzystora, każda mała zmiana prądu bazy (Ib) skutkuje znacznie większą zmianą prądu kolektora (Ic). Małe zmiany prądu przepływającego przez bazę pozwolą kontrolować prąd w obwodzie kolektor-emiter. Typowo, beta ma wartość pomiędzy 20 a 200 dla większości tranzystorów ogólnego zastosowania. Jeżeli tranzystor ma betę, załóżmy, 100, to jeden elektron przepływający przez bazę odpowiada 100 elektronom płynącym w obwodzie kolektor-emiter. Łącząc wyrażenia na alfę i betę, matematyczna zależność pomiędzy tymi parametrami i, tym samym, na wzmocnienie prądowe tranzystora, można podać jako:

Gdzie: Ic to prąd wpływający przez zacisk kolektora, Ib przez zacisk bazy, a Ie to prąd wypływający przez zacisk emitera. Krótkie podsumowanie. Ta konfiguracja tranzystora bipolarnego ma wyższą impedancję wyjściową, wyższe wzmocnienie prądowe oraz wzmocnienie mocy niż układ wspólnej bazy. Układ wspólnego emitera jest wzmacniaczem odwracającym fazę. To oznacza, że sygnał wyjściowy jest przesunięty o 180o w stosunku do sygnału wejściowego.

Konfiguracja wspólnego kolektora (WK) Układ wspólnego emitera ma wzmocnienie prądowe niemal równe β danego tranzystora. W konfiguracji wspólnego kolektora, rezystancja obciążenia jest usytuowana szeregowo z emiterem, więc jego prąd jest równy prądowi emitera. Ta konfiguracja jest powszechnie znana jako „wtórnik emiterowy” lub „wtórnik napięciowy”. Układ ten jest najczęściej stosowany w obwodach dopasowuących impedancję, ponieważ posiada wysoką impedancję wejściową (rzędu setek tysięcy omów) oraz znacznie niższą impedancję wyjściową. Schemat układu wspólnego kolektora

Ponieważ prąd emitera jest sumą prądu kolektora i prądu bazy, rezystancja obciążenia w tej konfiguracji pracy tranzystora otrzymuje prąd kolektora i wejściowy prąd, wpływający do bazy. Wzmocnienie prądowe tego układu wynosi:

Wzmocnienie prądowe w układzie WK

Ta konfiguracja tranzystora bipolarnego nie odwraca fazy sygnału, więc sygnał Vin i Vout są „w fazie”. Jego wzmocnienie napięciowe zawsze jest mniejsze od jedności. Rezystancja obciążenia w układzie wspólnego kolektora otrzymuje prądy: bazy i kolektora, co skutkuje wysokim wzmocnieniem prądowym (jak w konfiguracji wspólnego emitera). Dostarcza wysokiego wzmocnienia prądowego przy niskim wzmocnieniu napięciowym. Możemy teraz podsumować rozmaite relacje pomiędzy prądami stałymi płynącymi przez każdą z nóg tranzystora oraz jego wzmocnienia dla prądu stałego, co zostało zebrane w tabeli:

Zależności pomiędzy prądami (stałymi) a wzmocnieniami

Podsumowanie tranzystora bipolarnego Podsumowując, zachowanie tranzystora bipolarnego w każdym spośród powyższych układów jest bardzo różne i daje różne charakterystyki układu. Różnią się: impedancja wyjściowa, impedancja wejściowa oraz wzmocnienia – napięciowe, prądowe i mocy – co zostało zebrane w tabeli poniżej. Konfiguracje tranzystora bipolarnego

Ogólne zależności pomiędzy różnymi konfiguracjami tranzystora:

Parametr

Wspólna baza

Wspólny emiter

Wspólny kolektor

Impedancja wejściowa

Niska

Średnia

Wysoka

Impedancja wyjściowa

Wysoka

Wysoka

Niska

Przesunięcie fazowe

0o

180o

0o

Wzmocnienie napięciowe

Wysokie

Wysokie

≈1

Wzmocnienie prądowe

≈1

Wysokie

Wysokie

Wzmocnienie mocy

Niskie

Bardzo wysokie

Średnie

CHARAKTERYSTYKI

1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiajaca zaleznosci pradu kolektora I C od napiecia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napieciu wejsciowym baza-emiter UBE i stalym pradzie bazy IB. Z charakterystyki tej mozna stwierdzic iz powyzej pewnego napiecia prad kolektora prawie nie zalezy od napiecia UCE, oraz ze do wywolania duzej zmiany pradu kolektora DIC wystarczy ma�a zmiana napiecia baza-emiter DUBE 2) Charakterystyka przejsciowa przedstawia prad kolektora IC jako funkcja napiecia baza-emiter UBE, oraz IB =const. Charakterystyka ta ma charakter wykladniczy. 3) Charakterystyka wejsciowa opisuje zaleznosc pradu bazy I B od napircia baza-emiter UBE, przy stalym napieciu kolektor-emiter UCE. Charakterystyka ta, podobnie jak i nastepna jest wykorzystywana rzadziej od dwoch wczesniejszych. 4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zaleznosc pradu kolektora od pradu kolektora I C od pradu bazy IB, przy UCE=const Widac na niej, ze prad kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do pradu bazy....