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 10F 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
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

66+6+6+

2 Cards basiek49

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Create flashcards