Elektronika 1 4. Előadás Bipoláris tranzisztorok felépítése és karakterisztikái, alapkapcsolások, munkapont-beállítás Irodalom - Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, 1990 - U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1999 - Wersényi György: Híradástechnikai alkatrészek, 2004 - Borbély Gábor: Elektronika I, 2006 - Tony R. Kuphaldt: Lessons In Electric Circuits, Volume III Semiconductors, 2009
Bipoláris tranzisztor Bipoláris tranzisztorok áramköri jele és rétegrendje. Előfeszítések normál aktív üzemmódban: Bipoláris tranzisztorok működési állapotai:
Felépítés Elektronok mozgási iránya Különálló tranzisztor Integrált tranzisztor
Felépítés Planáris npn tranzisztor szerkezete és adalékprofilja
Bipoláris tranzisztor működési elve E B C Előfeszítés normál aktív üzemmódhoz Elektronok áramlási útvonala
Bipoláris tranzisztor működési elve a) rekombináció b) elektronos bázisáram c) záróréteget elözönlő elektronok d) a bázis-kollektor zárófeszültség felgyorsítja a zárórétegbe került elektronokat
Áramok bipoláris tranzisztorokban Kis amplitúdójú váltakozó áramú jelek esetén:
Bipoláris tranzisztorok karakterisztikái transzfer karakterisztika
Bipoláris tranzisztorok modellje Négypólus H-paraméterek (hibrid p) értelmezése.
Bipoláris tranzisztorok modellje Bipoláris tranzisztor H-paraméteres (hibrid p) fizikai helyettesítő képe. r BB : bázis-hozzávezetési ellenállás (5 50 W) r e : bázis-emitter dióda dinamikus ellenállása; U T = 26 mv. B, b: a bázisáramra vonatkoztatott áramerősítési tényező (kisteljesítményű tranzisztoroknál 50 500, nagy teljesítményű tranzisztoroknál 20 50); m: feszültség-visszahatási tényező (modern eszközöknél elhanyagolhatóan kicsi); g m : meredekség (10 500 ms).
Tranzisztormodell paraméterei rövidzári bemeneti impedancia: (kw nagyságrendű) üresjárati feszültségátvitel: rövidzári áramátvitel: üresjárati kimeneti admittancia: 10 100 ms
Bipoláris tranzisztorok munkapont-beállítása Bázisosztó ellenállásokkal Negatív soros áramvisszacsatolással Negatív párhuzamos feszültségvisszacsatolással
Közös emitteres kapcsolás Váltakozó áramú szempontból az emitter a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: bázis és föld között. Kimenő jel: kollektor és föld között. Jelleg: invertáló erősítő. Egyszerű npn tranzisztor-modellek: dióda-vezérelt ellenállás, illetve dióda-vezérelt áramforrás Egyenáramú karakterisztika
Közös emitteres kapcsolás Audio-erősítő bázis-előfeszítés nélkül Bázis-előfeszítéssel (munkapont-beállítás) Közelítő kisjelű feszültségerősítés:
Közös emitteres kapcsolás Közös emitteres erősítő fokozat és működési elve
Munkapont-beállítás
Kisjelű paraméterek Bázis-emitter ellenállás, Transzfer admittancia, Kollektor-emitter ellenállás, bemeneti ellenállás meredekség (g m ) kimeneti ellenállás
Ebers-Moll modell
Transzportmodell Transzportáram:
Gummel-Poon modell
Gummel-Poon modell az emitterdióda bázisárama a kollektordióda bázisárama az emitterdióda kúszóárama a kollektordióda kúszóárama kollektror-emitter transzportáram a szubsztrát-dióda árama bázis hozzávezetési ellenállás kollektor hozzávezetési ellenállás emitter hozzávezetési ellenállás az emitterdióda záróréteg-kapacitása a kollektordióda külső záróréteg-kapacitása a kollektordióda belső záróréteg-kapacitása a szubsztrát-dióda záróréteg-kapacitása az emitterdióda diffúziós kapacitása a kollektordióda diffúziós kapacitása
Early-hatás B 0 (U BE ) az U CE = 0 hoz extrapolált egyenáramú áramerősítés. Early-hatás. Magyarázata: az U BE és U BC feszültségek befolyásolják az effektív bázisréteg vastagságát és ezáltal a transzportáram (I T ) nagyságát: Az Early-feszültség: a záróirányú telítési áram
Közös emitteres kapcsolás hidegített emitterellenállással Feszültségerősítés: Áramerősítés: Az alkalmazott frekvenciatartományon a kondenzátorok és a tápfeszültség-forrás rövidzárnak tekinthetők. C be : bemeneti csatoló kondenzátor; C ki : kimeneti csatoló kondenzátor; C e : hidegítő kondenzátor. A hidegítés miatt az R e negatív áram-visszacsatolása csak egyenáramú szempontból érvényesül. Terhelőellenállás: szobahőmérsékleten U T = 26 mv
Közös emitteres kapcsolás nem hidegített emitterellenállással R E negatív áram-visszacsatolása váltakozó-áramú szempontból is érvényesül.
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás Váltakozó áramú szempontból a kollektor (a tápfeszültség-forráson át) a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: bázis és föld között. Kimenő jel: emitter és föld között. Jelleg: neminvertáló áramerősítő. A kimeneti feszültség követi a bemeneti feszültség értékét, levonva a bázis-emitter dióda állandó nyitófeszültségét. Egyenáramú karakterisztika
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás Emitterkövető erősítő bázis-előfeszítéssel (munkapont-beállítás) Áramerősítés: b: a tranzisztor kisjelű áramerősítési tényezője.
Közös kollektoros (emitterkövető) kapcsolás
Közös bázisú kapcsolás A bázis a földpotenciálhoz csatlakozik. Bemenő jel: emitter és föld között. Kimenő jel: kollektor és föld között. Jelleg: neminvertáló feszültségerősítő. Egyenáramú karakterisztika Kis amplitúdójú váltakozó áramú jelek esetén:
Közös bázisú kapcsolás
Miller-elv
Kaszkód kapcsolású erősítő Nagyfrekvenciás alkalmazásoknál bír jelentőséggel: - a földelt emitteres erősítőnek kisebb a sávszélessége a Miller-elv miatt megnövekedett hatású kollektor-bázis kapacitás miatt; - a földelt bázisú erősítőnek alacsonyabb a bemeneti impedanciája (pár tíz W). Földelt bázisú Földelt emitteres Kaszkód A földelt emitteres fokozat terhelő ellenállása a földelt bázisú fokozat bemeneti ellenállásával egyenlő (1 ma emitteráramnál 26 W), így feszültségerősítése közel 1. A földelt bázisú fokozat biztosítja a feszültségerősítést. A kapcsolás a földelt emitteres fokozat közepesen nagy bemeneti ellenállásával rendelkezik.
Kaszkód kapcsolású erősítő Kaszkód Közös emitteres Jelalakok Bode diagramok
Kaszkód kapcsolású A osztályú RF erősítő