Wykłady dla matematyków
advertisement
Wykład elektronika Urządzenia półprzewodnikowe Podział materiałów: dielektryki, półprzewodniki, metale ∆Eg ∆Eg Dielektryki ∆Eg 4 ÷ 15 eV Półprzewodniki ∆Eg 0.1 ÷ 1,2 eV Metale ∆Eg=0 eV Najważniejszym półprzewodnikiem jest krzem Si, przerwa energetyczna ∆E=1.1 eV Gęstość nośników prądu w półprzewodniku określa się literami n oraz p W krzemie domieszkowanym arsenen (As) nosnikami sa elektrony i ten typ półprzewodnika oznacza się literą n (negative) Półprzewodnik domieszkowany: poziom akceptorowy W krzemie domieszkowanym borem (B) nosnikami są dziury i ten typ półprzewodnika oznacza się literą (positive) p ładunek przestrzenny Złącze n-p p n akceptory p n donory potencjał x Równaniem Shockley’a złącza półprzewodnikowego np I I G exp eU 2 kT 1 I I 100 90 80 1 70 60 0 50 40 IG -1 30 U -2 U 20 10 -4 -2 0 2 4 0 -4 -2 0 2 4 6 Dioda jest elementem nieliniowym bo prąd nie jest liniowa funkcją przyłożonego napięcia Anoda (p) Katoda (n) Jeżeli przyłożymy dodatnie napięcie do anody (p) to przez diodę popłynie prąd (dioda przewodzi) Jeżeli przyłożymy ujemne napięcie do anody (p) to prąd nie popłynie (dioda nieprzewodzi) Niektóre rodzaje diod półprzewodnikowych: 1. dioda prostownicza 2. dioda Zenera 3. dioda elektroluminiscencyjna (LED 4. fotodioda 5. dioda detekcyjna 6. dioda pojemnościowa (warikap) 7. dioda tunelowa Dioda prostownicza Dioda prostownicza służy do uzyskania napięcia o jednej polaryzacji („wyprostowania” napięcia zmiennego). Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku (przy polaryzacji przewodzenia). Parametry diody prostowniczej: 1. Maksymalny prąd przewodzenia Imax od 0.1 A do 1000 A 2. Maksymalne napięcie wsteczne Uwst 3. Prąd wsteczny 4. Napięcie przewodzenia Ir od 2 V do kilkuset woltów rzędu A przy Imax 0.2 V dla germanowej diody do 0.7 V dla diody krzemowej Dida Zenera Dioda Zenera służy do stabilizacji napięć. Pracuje przy napięciu „wstecznym” (zaporowym) Parametrami diody Zenera jest: 1. Napięcie stabilizacji UDZ (na rysunku Ur=17,1 V 2. Moc dopuszczalna lub prąd dopuszczalny Dioda elektroluminiscencyjna (LED) Napięcia przewodzenia przy diodach świecących wynoszą od 1.9 V do 4 V Fotodioda - Upol R Uwyj Fotony padając na fotodiodę generują w złączu nośniki prądu i prąd wsteczny diody się zmienia + Fotodioda jest włączona zaporowo ! Dioda detekcyjna Dioda detekcyjna ma bardzo małe napięcie przewodzenia Dioda pojemnościowa (warikap) Dioda pojemnościowa jest włączona zaporowo i jej pojemność C w pF zależy od przyłożonego napięcia wstecznego od 6 do 20 pF Dioda pojemnościowa służy do strojenia obwodów rezonansowych LC Dioda tunelowa Dioda tunelowa ma obszar o ujemnej impedancji tzn. ze zwiększeniem napięcia opór maleje Typowe Up to 70 mV a Uv 400 mV; a Ip to kilkanaście miliamperów Dioda tunelowa służy do detekcji wysokoczęstotliwościowych (GHz) sygnałów lub jako generatorów Transformatory Transformatory to urządzenia pozwalające na zmianę napięć i prądów zmiennych bez straty mocy Jak działa transformator (zdjęcie i WIKIPEDI) Transformator składa się z: 1. Uzwojenie pierwotne (zasilanie) 3. Rdzeń ferromagnetyczny Zmienne napięcie na wyjściu U2 jest zależne od napięcia na wejściu wzorem: 𝑈2 = 𝑈1 𝑁2 𝑁1 Moc na wyjściu jest równa mocy na wejściu P2=P1= I1U1=U2I2 Obwód wejściowy jest izolowany od obwodu wyjściowego!!! 2. Uzwojenie wtórne (wyjście) Jeżeli N2>N1 to napięcie na wyjściu U2 jest większe od U1. Jeżeli N2<N1to napięcie na wyjściu U2 jest mniejsze od U1 Moc transformatora 𝑃 = 𝑆 gdzie S to przekrój rdzenia (cm2) a P moc (WAT) Wygląd transformatora małej mocy z rdzeniem żelaznym Transformator toroidalny Uzyskiwanie napięć stałych z napięć zmiennych (z sieci energetycznej 230 V) Usieć transformator Transformator zmniejsza napięcie zmienne prostownik Prostownik wytwarza tętniące napięcie dodatnie filtr Filtr „wygładza” tętnienia stabilizator Ustab Stabilizator „usuwa” tętnienia i wytwarza napięcie stałe o żądanej wartości Uwyj Prostownik jednopołówkowy C1 𝑄 ∆𝑈𝑡 = = 𝐶 𝑓= 1 ∆𝑡 𝐼𝑑𝑡 𝐶 ≈ 𝐼∆𝑡 𝐶 gdzie f jest częstością sieci ∆𝑈𝑡 = 𝐼 𝑓𝐶 Prostownik dwupołówkowy (układ Graetza) Po podłączeniu kondensatora filtrującego C ∆𝑈𝑡 = 𝑄 = 𝐶 𝐼𝑑𝑡 𝐶 ≈ 𝐼∆𝑡 𝐶 1 2𝑓 = ∆𝑡 ∆𝑈𝑡 = 𝐼 2𝑓𝐶 Prostownik dwupołówkowy z dwiema diodami Zaleta: tylko dwie diody Wada: prąd płynie podczas jednego półokresu sieci tylko przez połowę uzwojeń i transformator jest bardziej skomplkowany Podwajacz napięcia Tranzystory bipolarne Dioda to jedno złącze np czyli połączenie dwóch półprzewodników jeden typu n (przewodnictwo elektronowe) a drugi typu p (przewodnictwo dziurowe) n p anoda katoda W diodzie mamy jedno złącze prostujące Tranzystor bipolarny to dwa złącza prostujące położone bisko siebie p n p lub n p n Tranzystor ma trzy elektrody kolektor emiter baza Mamy dwa typy tranzystorów !! 1. pnp 2. npn kolektor emiter baza Emiter jest ze strzałką!!!! Działanie tranzystora bipolarnego n p K B kolektor baza p E emiter K B E Jeżeli przyłożymy napięcie między kolektor (K) a emiter E to tranzystor nie przewodzi bo albo jedno złącze pn albo drugie złącze np jest spolaryzowane zaporowo!!! Jednak ponieważ złącza pn i np leżą bardzo blisko siebie to prąd baza-emiter wpływa silnie na zaporowo spolaryzowane złącze K-B i prąd z kolektora do emitera popłynie!!! Mały prąd baza-emiter wywołuje duży prąd kolektor-emiter!! Prąd emitera Ie jest sumą prądów IB oraz IK Prąd kolektora Ik Prąd baza-emiter IB Prąd emitera IE IE=IK+IB W tranzystorze pnp do kolektora K musi być przyłożone napięcie ujemne względem emitera E !!! Strzałka do wewnątrz tranzystora oznacza tranzystor pnp !! K kolektor B E baza emiter W tranzystorze npn do kolektora K musi być przyłożone napięcie dodatnie względem emitera E!!! Strzałka na zewnątrz tranzystora oznacza tranzystor npn K kolektor B baza !! E emiter Tranzystor bipolarny pracuje (stan aktywny) wtedy kiedy złącze K-B (kolektor-baza) jest spolaryzowane zaporowo a złącze B-E (baza-emiter) przewodząco !!! tzn. dla typu npn do kolektora musi być przyłożone napięcie dodatnie a dla typu pnp ujemne W tranzystorze bipolarnym najważniejszym parametrem jest współczynnik wzmocnienia 𝐼 prądowego 𝛽 = 𝐾 który jest rzędu 100 𝐼𝐵 IC Złącze baza-emiter musi być spolaryzowane przewodząco aby prąd bazy (IB) popłynął i wywołał prąd kolektora. Up UEB Ckarakterystyka Ic w funkcji UCE dla różnych prądów bazy (IB) wygląda: IC 5 0.5 A 4 3 2 1 IB=0 mA UCE Tranzystor bipolarny można uważać w przybliżeniu za źródło prądu (Ic) sterowane prądem bazy (IB) Stany pracy tranzystora w zależności od polaryzacji złącz: 1. Stan aktywny (najczęściej): złącze K-B zaporowo złącze B-E przeodząco (Ic>0 2. Stan odcięcia : złącze K-B zaporowo złącze B-E zaporowo (Ic=0) 3. Stan nasycenia: złącze K-B przewodząco złącze B-E przewodząco (Ic=Imax) 4. Stan inwersji (nieprawidłowy): złącze K-B przewodząco złącze B-E zaporowo Tranzystor jako przełącznik „Tranzystorowy człowiek” według książki W.Hill Pasmo graniczne tranzystora 1001 Budowa różnego typu tranzystorów powoduje, że częstość graniczna jest różna. 100,1 częstotliwość graniczna tranzystora : (fT )=1 1 0,01 10 100 1000 10000 Istnieją tzw. pasożytnicze pojemności CKB oraz CEB ograniczające pasmo przenoszenia fT czestotliwość K K Ckb B <> B rbb Ceb E E Opór rbb oraz CEB tworzą filtr dolnoprzepustowy Tranzystor jako czwórnik Uwej Uwyj Zwykle jedna z elektrod tranzystora E lub B lub K jest wspólna i mamy trzy podstawowe układy tranzystorowe: Układ ze wspólną bazą (WB) Układ ze wspólnym emiterem (WE) Układ ze wspólnym kolektorem (WC) Czwórnik tranzystorowy cd. Najczęściej opis czwórnika tranzystorowego przedstawia się w równaniami hybrydowymi typu [h] U1=h11I1 + h12U2 I2 =h21I1 + h22 U2 𝐼 Wówczas np. ℎ21 = 𝐼2 dla U2=0; dla tranzystora 1 Wzmacniacze tranzystorowe WE, WC, WB (wspólny emiter WE; wspólny kolektor WC; wspólna baza WB Jakie parametry wzmacniaczy będziemy wyznaczać: 1. Wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 = 𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑈𝑤𝑒𝑗 2. Impedancja (oporność) wejściowa Rwe 3. Impedancja (oporność) wyjściowa Rwy 4. Pasmo przenoszenia (ν𝑑𝑜𝑙𝑛𝑎 ; ν𝑔ó𝑟𝑛𝑎 ) ; 𝑝𝑎𝑠𝑚𝑜 3𝑑𝐵; 𝑝𝑎𝑠𝑚𝑜 6𝑑𝐵 5. Wzmocnienie prądowe 𝐾𝐼 = 𝐼𝑤𝑦𝑗 𝐼𝑤𝑒𝑗 Idea wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) +Ucc Tranzystor npn (bo strzałka na zewnątrz) Więc napięcie zasilania Ucc dodatnie RL Opornik obciążenia RL B U1 U2 𝐼 𝐼1 Parametr zależny od rodzaju tranzystora β= 2 E 𝐾𝑢 = 𝐾𝑢 = K ∆𝑈2 ∆𝑈1 ∆𝐼2 𝑅𝑙 β𝐼1 𝑅𝐿 𝑅𝐿 = =β 𝑈1 𝑈1 𝑅𝐵𝐸 𝑅𝑤𝑒𝑗 = 𝑅𝐵𝐸 = 𝑈1 𝐼1 czyli opór złącza prostującego baza-emiter Wzmocnienie napięciowe jest duże dla WE Opór wyjściowy wzmacniacza ze wspólnym emiterem Potraktujmy przez chwilę tranzystor jako opornik Rtranz (jest to nieprawidłowe) Ucc Otrzymaliśmy dzielnik napięcia RL 𝑅𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 𝑈2 = 𝑈𝑐𝑐 𝑅𝐿 + 𝑅𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 U2 Rtranz 𝑈 Z zasady Thevenina 𝐼𝑧𝑤𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎 = 𝑅2 𝐿 Opór 𝑅𝑤𝑦𝑗 = 𝐼 𝑈2 𝑧𝑤𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎 IC 5 0.5 A 4 A ponieważ 𝑅𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 = 𝑅 𝑅𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑧 +𝑅𝐿 =𝑅𝐿 ∆𝑈𝐶𝐸 ∆𝐼𝑐 3 2 1 IB=0 mA UCE Rtranz jest bardzo duży (patrz wykres) więc 𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅𝐿 Pasmo przenoszenia wzmacniacza ze wspólnym emiterem Ponieważ ze wzrostem napięcia na wejściu wzrasta prąd kolektora Ic to napięcie na wyjściu maleje Wzmacniacz ze wspólnym emiterem odwraca fazę! Kondensator pasożytniczy Cbk złącza baza-kolektor przenosi w przeciwnej fazie część napięcia z wyjścia do wejścia (Efekt Millera) to napięcie na wyjściu maleje (Ku maleje) E C bk R WYG WY Uwy/Uwe rbb U WY 2U WE źródło sygnału MAX 1/ 2 07 . ... wzmacniacz pasmo przenoszenia g Częstotliwość Pasmo przenoszenia wzmacniacza WE jest najmniejsze w porównaniu z innymi układami (WC oraz WB) Cechy wzmacniacza ze wspólnym emiterem WE 1. Duże wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 ≅ β 𝑅 𝑅𝐿 𝑏𝑎𝑧𝑎−𝑒𝑚𝑖𝑡𝑒𝑟 - zaleta 2. Duże wzmocnienie prądowe 𝐾𝐼 ≅ β - zaleta 3. Mała oporność wejściowe 𝑅𝑤𝑒 = 𝑅𝑏𝑎𝑧𝑎−𝑒𝑚𝑖𝑡𝑒𝑟 - wada 4. Duża oporność wyjściowa 𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅𝐿 - wada 5. Ograniczone od góry pasmo przenoszenia (efekt Millera) - wada 6. Wzmacniacz WE odwraca fazę (napięcie na wyjściu maleje kiedy napięcie na wejściu rośnie) Układy praktyczne wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) Opornik RB – opór polaryzujący złącze baza-emiter przewodząco 𝑅𝐵 ≈ 100 𝑘Ω RL opór obciążenia (𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅𝐿 ) 𝑅𝐿 ≈ 1 𝑘Ω C1 kondensator odcinający od wejścia napięcie stałe – (wzmacniacz przestaje wzmacniać napięcia stałe) Kondensator C1 oraz opór baza-emiter (rBE) tworzą filtr górnoprzepustowy RC na wejściu wzmacniacza ; wzmacniacz będzie wzmacniał od 1 częstości ν𝑑 ≈ C2 kondensator odcinający od wyjścia napięcie stałe (stałe napięcie kondensatora nie przechodzi na wyjście) 2𝜋𝑅𝐶 wzmocnienie k wpływ sprzężenia Napięcie między masą a kolektorem (Uc) powinno być równe połowie napięcia 1 zasilania 𝑈𝑐 ≅ 2 𝐸 ; trzeba dobrać RB aby tak było -1/2 2 νd wpływ tranzystora kmax pasmo częstotliwość Dobór warunków pracy wzmacniacza ze wspólnym emiterem (WE) Punkt pracy to napięcie kolektor-emiter (Uc) przy zerowym napięciu wejściowym (Uwej=0) Napięcie zasilania E musi być dodatnie bo tranzystor jest npn (strzałka na zewnątrz) i złącze np KB (kolektor baza) ma być spolaryzowane zaporowo 3. Punkt pracy powinien leżeć „poniżej” hiperboli mocy (strata mocy w tranzystorze to P=Ic*Uc) Producent określa moc maksymalną Pmax IC 1. Podczas wzmacniania największe napięcie na kolektorze (Uc ) może być równe napięciu zasilania E kiedy prąd baza-emiter <=0 (IB =0) ; wówczas prąd kolektora Ic =0 i nie ma spadku napięcia na RL (Ic*RL=0 a Uc =E-Ic*RL) hiperbola mocy PMAX=IC·UCE PUNKT PRACY E/R L 2. Podczas wzmacniania najmniejsze napięcie na kolektorze (Uc) będzie zbliżone do zera (około 0.6 V) kiedy tranzystor pracuje w stanie nasycenia (βIB = 𝐼𝑐 ; 𝐼𝐶 ∗ 𝑅𝐿 ≅ 𝐸 ; 𝑡𝑜 𝑈𝐶 = 𝐸 − 𝐼𝐶 ∗ 𝑅𝐿 ≈ 0 Napięcie między masą a kolektorem (Uc) powinno być 1 równe połowie napięcia zasilania 𝑈𝑐 ≅ 𝐸 ; trzeba dobrać 2 RB aby tak było IB0 E Prosta obciążenia E-R L·IC UCE Jak dobrać opór polaryzujący złącze baza-emiter RB aby uzyskać napięcie na kolektorze Uc=1/2E ? (metoda przybliżona) 1. Znajdujemy w katalogu danego tranzystora wartość β czyli 𝐼 współczynnik wzmocnienia prądowego (β = 𝑐 ) 𝐼𝐵 2. Opornik RL ustalamy by uzyskać oporność wyjściową rzędu RL a 𝑅 wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 = β 𝐿 (gdzie rBE to opór złącza baza-emiter) 𝑟𝐵𝐸 3. Napięcie na kolektorze powinno być połową napięcia zasilania 1 𝑈𝑐 = 𝐸 2 4. więc wyliczmy prąd Ic z równania 𝑈𝑐 = 𝐸 − 𝐼𝑐 𝑅𝐿 5. 6. 1 2 𝐸 = 𝐸 − 𝐼𝐶 𝑅𝐿 czyli 𝐼𝑐 = Znając Ic z zależności β = 𝐸 𝐼𝑐 𝐼𝐵 7. i otrzymujemy 𝐼𝐵 = 2𝑅𝐿 β 8. Ponieważ napięcie złącza pn baza-emiter UBE nie jest większe od 0.6 V 9. To 𝑅𝐵 = 𝐸−0.6 𝐼𝐵 = 2(𝐸−0.6)𝑅𝐿 β 𝐸 ≈ 2𝑅𝐿 β 𝐸 2𝑅𝐿 wyliczamy prąd IB Wady najprostszego układu ze wspólnym emiterem Ponieważ wartość β dla danego typu tranzystora ma duży rozrzut i zależy od temperatury to punkt pracy (napięcie Uc) ,które zależy od β, zmienia się. 𝑅𝐵 ≈ 2𝑅𝐿 β Poprawiony układ ze wspólnym emiterem (WE) Napięcie na oporze RE jest praktycznie równe napięciu RB wejściowemu Uwej czyli prąd ∆IE= RL ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 𝑅𝐸 Zmiana napięcie na wyjściu ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 = − 𝑅𝐿 ∆𝐼𝐶 Praktycznie ∆𝐼𝐶 = ∆𝐼𝐸 więc ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 = − 𝑅𝐿 ∆𝐼𝐸 𝑠𝑡ą𝑑 𝐾𝑢 = − 𝑅𝐿 𝑅𝐸 − ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑅𝐿 = ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 𝑅𝐸 ∆𝐼𝐸 = − ale 𝐾𝑈 = 𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑈𝑤𝑒𝑗 ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑅𝐿 więc Wzmacniacz ze wspólnym emiterem (WE) i stabilizacją punktu pracy o dużym wzmocnieniu dla prądów zmiennych Kondensator 10F między emiterem a masą stanowi dla prądów zmiennych 𝑅 małą impedancję więc 𝐾𝑢 ≅ −𝛽 𝐿 a nie 𝐾𝑢 = − 𝑅𝐿 𝑅𝐸 𝑟𝐵𝐸 Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem (WK) lub z angielskiego (WC) Idea Wyliczamy wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 = UBE RL Uwyj 𝑈𝑤𝑒𝑗 = 𝑈𝐵𝐸 + 𝑈𝑤𝑦𝑗 𝐾𝑢 = Wzmocnienie napięciowe dla WK jest równe Ku =1 !!!! (nie wzmacnia!!!) Wzmocnienie prądowe dla WK Ki=β (DUŻE) !!! 𝑅𝑤𝑒𝑗 = 𝛽 ∗ 𝑅𝐿 𝑈𝑤𝑒𝑗 Napięcie na wejściu (Uwej) jest podzielona między napięcie na wyjściu (Uwyj) i napięcie baza-emiter (UBE) Uwej ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 = ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑈𝑤𝑦𝑗 = 𝑈𝑤𝑒𝑗 − 𝑈𝐵𝐸 𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑈𝑤𝑒𝑗 − 𝑈𝐵𝐸 = ≅1 𝑈𝑤𝑒𝑗 𝑈𝑤𝑒𝑗 𝐼 Obliczenie oporu wejściowego; (znamy parametr β tranzystora 𝛽 = 𝐶 𝐼𝐵 ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 Ale 𝑅𝑤𝑒𝑗 = ∆𝐼𝑐 ∗ 𝑅𝐿 = ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 𝛽∆𝐼𝐵 ∗ 𝑅𝐿 = ∆𝑈𝑤𝑒𝑗 ∆𝐼 𝐵 Opór wejściowy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) jest bardzo duży !!! Oporu wyjściowy (𝑅𝑤𝑦𝑗 = 𝑅𝑤𝑦𝑗 = 𝑅𝐿 𝛽 ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 ∆𝐼𝑤𝑦𝑗 ) Cechy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) 1. Wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 ≅ 1 - nie wzmacnia napięciowo 2. Duże wzmocnienie prądowe 𝐾𝐼 ≅ β 3. Duża oporność wejściowe 𝑅𝑤𝑒 = 𝛽 ∗ 𝑅𝐿 4. Mała oporność wyjściowa 𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅𝐿 5. pasmo przenoszenia dość duże - zaleta - zaleta - zaleta - zaleta 6. Wzmacniacz WK nie odwraca fazy (napięcie na wyjściu „wtóruje” napięciu na wejściu stąd nazwa WK „WTÓRNIK”) Ustalenie punktu pracy wzmacniacza ze wspólnym kolektorem, czyli dobrać opór polaryzujący złącze baza-emiter RB aby uzyskać napięcie na wyjściu Uc=1/2E ? E Dobieramy tak RB aby na wyjściu było równe 1 połowie napięcia zasilania 𝑈𝑤𝑦𝑗 = 2 𝐸 RB C Uwej Uwyj RL Robimy to dokładnie tak jak przy wzmacniaczu ze wspólnym emiterem (WE) 𝑅𝐵 = 𝐸 − 0.6 2(𝐸 − 0.6)𝑅𝐿 β = ≈ 2𝑅𝐿 β 𝐼𝐵 𝐸 1 Taki układ wzmacniacza ze wspólnym kolektorem (WK) ma dużą wadę: punkt pracy czyli (𝑈𝑤𝑦𝑗 = 𝐸) zmienia 2 się z temperaturą Poprawiony układ stabilizujący punkt pracy Dzielnik utworzony z R1 = R2 daje napięcie równe połowie napięcia zasilania Vcc Poprawiony układ stabilizatora napięcia Jeżeli w napięciu zasilania występują tętnienia to układ je eliminuje (filtr RC) Stabilizator napięcia wykorzystujący wzmacniacz ze wspólnym kolektorem (WK) (wtórnik emiterowy) Pokazywaliśmy już diodę Zenera stabilizującą napięcie Ten układ ma wadę bo z naszego stabilizowanego źródła napięcia nie możemy czerpać dużych prądów Diodę Zenera umieszczamy na wejściu wzmacniacza ze wspólnym kolektorem i uzyskujemy takie samo stabilne napięcie ale możemy czerpać duże prądy Takie by nie przekroczyć mocy określonej przez producenta P=I*U Opornik Rc służy do zabezpieczenia tranzystora wyniku zwarcia wyjścia (opornik Rc ogranicza prąd zwarcia) Tranzystorowe źródło prądu Napięcie na bazie 5.6 V jest stabilne więc na emiterze napięcie jest także stabilne (pomniejszone o napięcie baza-emiter UBE) Stabilne napięcie 5 V na rezystorze 10kΩ powoduje 𝑈 5𝑉 prąd kolektora 𝐼𝑐 = 𝑅𝐸 = 104Ω = 0.5 𝑚𝐴 𝐸 Przez odbiornik w kolektorze płynie stały prąd 0.5 mA Wzmacniacz symetryzujący o wzmocnieniu Ku=1 Mamy dwa wyjścia na których sygnał jest identyczny ale przesunięty w fazie o 1800 Wzmacniacz ze wspólną bazą (WB) Wzmocnienie napięciowe 𝐾𝑢 = 𝑅𝐿 𝑅𝑐 Wzmocnienie prądowe 𝐾𝑢 ≅ 1 Opór wejściowy b. mały (rBE) Opór wyjściowy duży zbliżony do RL Idea WB Układ praktyczny RL RE Pasmo przenoszenia duże Nie odwraca fazy Ze względu na pasmo przenoszenia stosowany w głowicach telewizyjnych i radiowych Wzmocnienie 𝐾𝑢 = 𝛽 𝑅𝐿 𝑟𝐵𝐸 zależy od oporu w kolektorze Zamiast oporu RL mamy impedancję równolegle połączonych indukcyjności L oraz C Z prawa Kirchoffa 𝑍𝐿𝐶 = 𝑗 1 𝑍𝐿𝐶 𝜔𝐿 1 − 𝜔 2 𝐿𝐶 Dla 𝜔𝑟 𝑍𝐿𝐶 → ∞ = 1 𝑍𝐿 + 1 𝑍𝐶 𝑍𝐿 = 𝑗𝜔𝐿 ; 𝑍𝐶 = Dla jednej częstości 𝜔𝑟 = czyli KU→∞ 1 𝐿𝐶 1 𝑗𝜔𝐶 1 1 = + 𝑗𝜔𝐶 𝑍𝐿𝐶 𝑗𝜔𝐿 𝑧𝑎𝑐ℎ𝑜𝑑𝑧𝑖 1 − (𝜔𝑟 )2 𝐿𝐶 = 0 Układ o dużym oporze wejściowym Klasy pracy wzmacniaczy tranzystorowych W klasie A jeżeli sygnału nie ma (Uwej=0; linia przerywana) to i tak płynie prąd kolektora Ic i na tranzystorze wydziela się moc P=Ic*UKE W klasie B jeżeli sygnału nie ma (Uwej=0) to nie płynie prąd kolektora (Ic=0) i na tranzystorze nie wydziela się moc P=Ic*UKE=0 Prąd kolektora (Ic) wzmacniacza mocy dla wzmacniaczy klasy A; B; C W klasie A przez tranzystor zawsze płynie prąd kolektora Ic przez cały okres T W klasie B prąd Ic płynie w dodatniej połowie okresu przez czas T/2 W klasie C prąd płynie przez czas t<T/2 Układ przeciwsobny (wykorzystywany we wzmacniaczach mocy W układzie przeciwsobnym dla napięć dodatnich pracuje górny tranzystor npn (klasa B) a dolny jest „zatkany”(nie przewodzi) Dla napięć ujemnych pracuje dolny tranzystor (klasa B) pnp a górny jest ”zatkany” (nie przewodzi) Przy zerowym napięciu wejściowym (U1=0) żaden tranzystor nie przewodzi i nie jest tracona moc! Wzmacniacz mocy klasy D 1. Sygnał akustyczny jest zamieniany na ciąg impulsów o wysokiej częstotliwości z wypełnieniem zależnym od amplitudy sygnału akustycznego 2. Na wyjściu jest niskoczęstotliwościowy filtr LC który „odtwarza” sygnał akustyczny a „wycina” szybkie przełączanie Tyrystor Tyrystor to jakby dioda sterowana impulsem napięcia Po przyłożeniu impulsu napięcia napięcie między bramką a katodą tyrystora tyrystor przewodzi aż do czasu kiedy napięcie między katoda a anodą spadnie lub gdy prąd zaniknie Triak, to rodzaj tyrystora przewodzącego w obu kierunkach Przerzutnik Schmitta ma dwa stany na wyjściu: wysoki i niski Jeżeli na wejściu napięcie przekroczy pewien próg napięcia Ug stan na wyjściu zmienia się z niskiego na wysoki Jeżeli na wejściu napięcie jest poniżej progu napięcia Ug to tranzystor T1 jest „zatkany” i przez rezystor 10 kΩ płynie prąd do bazy T2 i tranzystor T2 jest w stanie nasycenia (napięcie UKE jest bliskie zera). Na oporności 100 Ω (czyli na obu emiterach) ustala się napięcie jak na dzielniku 1kΩ-100Ω czyli około 1/10 napięcia zasilania. Przekroczenia na wejściu napięcia Ug powoduje, że tranzystor T1 jest w stanie nasycenia a tranzystor T2 jest „zatkany” Powrót do stanu niskiego następuje kiedy napięcie na wejściu spadnie poniżej Ud Ud<Ug Wzmacniacz różnicowy 1. Jeżeli na obu wejściach jest to samo napięcie to na wyjściu napięcie się nie zmienia 2. Jeżeli na wejściu 1 pojawi się napiecie U1 a na wejściu 2 napięcie U2 to wzmocnienie 𝐾𝑢 = ∆𝑈𝑤𝑦𝑗 𝑈1 −𝑈2 Wzmacniacz różnicowy stosuje się np. przy długich kablach doprowadzających napięcie do wejścia. Wówczas w długich kablach szum indukuje identyczne napięcie zakłócające, które nie jest wzmacniane we wzmacniaczu różnicowym. Przykładem jest tzw. „skrętka” przy sieciach komputerowych. W obu przewodach symetrycznej „skrętki” zakłócenia indukują identyczne (podobne) napięcia, które nie są wzmacniane we wzmacniaczu symetrycznym wzmacniaczu różnicowym. = 𝑅𝑐 2(𝑅𝑒 +𝑟𝐵𝐸 ) Tranzystory polowe (FET(unipolarne) Tranzystor bipolarny K n B p Tranzystor polowy E n W tranzystorze bipolarnym mały prąd baza-emiter (IB) wywoływał duży prąd kolektor-emiter (Ic) (β= 𝐼𝑐 ) 𝐼𝐵 Field Effect Transistor) β- współczynnik wzmocnienia prądowego W tranzystorze polowym małe napięcie (pole elektryczne) bramka-źródło (G-S) powoduje zmianę oporu dren-źródło (D-S) Głowna różnica: tranzystorem bipolarnym steruje prąd tranzystorem polowym steruje napięcie Rysunki z książki Kutty, i z internetu W tranzystorze polowym mamy trzy elektrody Dren (Drain; D); Bramka (Gate; G ); Źródło (Source; S); Zasada działania tranzystora polowego Najważniejszym parametrem tranzystorów polowych jest 𝐼 transkonduktancja 𝑔𝑚 = 𝐷 (odwrotność Ohma [simens] 𝑈𝐺 Charakterystyki tranzystorów polowych typu p i typu n n p Tranzystory polowe MOSFET (z izolowaną bramką) Skrót MOSFET pochodzi od Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor Typu p normalnie Załączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) płynie Typu n normalnie Załączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) płynie Typu p normalnie wyłączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) nie płynie Typu n normalnie wyłączony (dla UGS=0 prąd Drenu (ID) nie płynie Typy tranzystorów MOSFET i ich charakterystyki Podstawowe układy z tranzystorami polowymi: wspólne źródło (WS); wspólny dren (WD); wspólna bramka (WG) Idea Wspólne źródło WS (odpowiednik wspólnego emitera) Układy praktyczne Wspólny dren WD (odpowiednik wspólnego kolektora) Wspólna bramka WG (odpowiednik wspólnej bazy) Układy polaryzacji tranzystorów polowych (WS) Układ polaryzacji dodatkowym źródłem napięcia Układ automatycznej polaryzacji Parametry układów wspólne źródło (WS) Ponieważ 𝑔𝑚 = ∆𝐼𝐷 ∆𝑈𝐺𝑆 RD ∆𝑈𝐷 = −∆𝐼𝐷 𝑅𝐷 Wzmocnienie napięciowe: 𝐾𝑢 = Opór wyjściowy liczymy tak samo jak we wzmacniaczu ze wspólnym emiterem, czyli opór równolegle połączonych RD oraz opory przejścia tranzystora (b. duzy): 𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑅𝐷 ∆𝑈𝐷 ∆𝑈𝐺𝑆 = 𝑔𝑚 𝑅𝐷 Opór wejściowy 𝑅𝑤𝑒𝑗 → ∞ ponieważ praktycznie prąd bramka-źródło (IGS) nie płynie Parametry układu ze wspólnym drenem (WD) Wzmocnienie napięciowe jest takie jak we wzmacniaczu ze wspólnym kolektorem (WK) 𝐾𝑢 ≅ 1 Opór wejściowy 𝑅𝑤𝑒𝑗 → ∞ Opór wyjściowy mały Opór równolegle połączonych rezystorów RS oraz 1/gm i zwykle: 1 𝑅𝑤𝑦𝑗 ≅ 𝑔𝑚 Tranzystor polowy razem z tranzystorem bipolarnym Z ksiązki W.Hill „Sztuka…” Porównanie wzmacniaczy ze wspólnym emiterem (WE) i ze wspólnym źródłem (WS) 1. Wzmocnienie: WE 𝐾𝑢 = − 𝑅𝑐 2. Wzmocnienie: WS 𝐾𝑢 ≅ − ≅ −200 𝑟𝑒 1 𝑔𝑚 3. Opór wyjściowy: WE 𝑅𝑤𝑦𝑗 = 4. Opór wyjściowy: WS 𝑅𝑤𝑦𝑗 = ≅ −10 𝑅𝑠 𝛽 ≅ 50Ω 1 𝑔𝑚 ≅ 500Ω 5. Opór wejściowy: zdecydowanie większy dla tranzystora polowego
