Transcript Kap 18_19 dioder BJT_1

Revidert versjon 1. feb. 2012 T.Lindem
Kapittel 18
Grunnleggende diodekoplinger
Likeretter (Rectifier) – omforme AC til DC
Rectifier (Likeretter) – en diodekrets som omformer en AC til pulserende DC
Filter – en krets som reduserer variasjonene i spenningen ut fra en likeretter
Voltage Regulator – Spenningsregulator – krets som opprettholder konstant
spenning (DC-out) Spenningen holdes konstant selv om belastningen endres (!)
Kapittel 18

Grunnleggende diodekoplinger
Halvbølge likeretter – en diode er plassert i serie mellom en transformator og
lasten ( mottakerkretsen ).
 Positiv halvbølge likeretter – leverer en serie positive pulser
 Negativ halvbølge likeretter – leverer en serie negative pulser
Kapittel 18

Helbølge likeretter
Helbølge likeretter – 2 dioder tilkoplet en sentertappet transformator
Kapittel 18

Helbølge likeretter
Helbølge likeretter – uten sentertappet transformator , - men med 4 dioder
Dette er den mest benyttede likeretterkopling.
( Sentertappet transformator er en kostbar komponent – dioder er billige )
Kapittel 18 Likeretter med filter

Power Supply Filter – en krets som reduserer variasjonene I DC spenningen ut
fra likeretteren. En stor kondensator koples parallellt med lasten = RC-filter
”Rippel” – ”Ripples”
Ripples = krusninger.
Rest av AC overlagret
DC spenningen
Kapittel 18

Likeretter med filter
Surge Current – ladestrøm til kondensatoren
 I det øyeblikk dioden begynner å lede – og kondensatorspenningen er 0 volt
– vil kondensatoren virke som en kortsluttning. Strømmen begrenses kun av:

Motstanden i transformatorens sekundærvikling

Motstanden i ledningene

Den interne motstanden I dioden (Bulk resistance)
 Ladestrømmen kan bli redusert hvis vi setter inn en spole i serie.
Kapittel 18

Klippere
Transient beskyttelse


Transient – en meget rask endring i enten strøm eller spenning – Kan
ødelegge halvlederkomponenter. Forekommer ofte som elektrostatisk
utladning når man berører komponenter. Har du klær av syntetisk
materiale kan du fort “lades opp” til spenninger på over 1000 volt. Det er
viktig at du er “jordet” når du behandler transistorer og integrerte kretser !
Mange kretser må beskyttes mot overspenninger – til dette brukes
diode“klippere” . Diode D1 leder hvis input-signalet overstiger +5,7volt --D2 leder hvis input-signalet blir lavere enn - 0,7volt
Kapittel 18

Spenningsdoblere (Voltage Multipiers)
Halvbølge “Voltage Doublers”
Kapittel 18


Spenningsdoblere (Voltage Multipiers)
Kvadrupler
Vi øker spenningen 4 ganger (4 kV -> 16 kV)
De 2 figurene under viser samme krets – men tegnet opp litt forskjellig
Neste - BJT
Transistorer – en alternativ presentasjon
© Lindem 4. feb 2011
Dekkes delvis i boka Kap 19 -21
Temapunkter for de 3 neste ukene

Beskrive struktur og virkningsmekanismer i bipolare junction transistorer (BJT)

Forklare operasjonen til en BJT klasse A-forsterker

Analysere klasse B - og klasse AB - forsterker

Kort analyse av “bryterkretser” – switching circuits

Beskrive strukturene og operasjonen til felteffekt transistorene JFET og MOSFET
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
En BJT er bygget opp av tre dopede regioner i et halvledermateriale
– separert med to pn-overganger (pn junctions)
Disse regionene kalles Emitter, Base og Kollektor
Det er to typer BJT-transistorer – avhengig av sammensetningen til de
dopede områdene – npn eller pnp
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT



Det er to halvlederoverganger – ( junctions ) - base - emitter junction og base - collector
junction
Uttrykket bipolar refererer seg til at både elektroner og hull inngår i ladningstransporten I
transistorstrukturen.
Skal transistoren virke som forsterker må de to overgangene ha riktig forspenning
- Base - emitter (BE) junction er forspent i lederetning
- Base - collector
(BC) junction er forspent i sperreretning
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
Emitter
Base
n
-
Kollektor
p
+
n
-
+
Base-Emitter-dioden forspennes i sperreretning.
IE = IB + IC
Emitter-Base-dioden forspennes i lederetning VBE= 0,7 volt
- elektroner strømmer fra Emitter inn i Basen
- Basen er fysisk tynn – pga. diffusjon strømmer elektroner mot Kollektor.
Elektronene er minoritetsbærere i et p-dopet materiale. Bare noen få elektroner vil
rekombinere med hull - og trekkes ut som en liten strøm på base- ledningen. De
aller fleste elektronene når ”depletion layer” på grensen mot Kollektor. Pga. E-feltet
vil elektronene bli trukket over til kollektor, - hvor de fritt trekkes mot den positive
batteripolen.
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
Under normale arbeidsforhold vil strømmene IC og IE
variere direkte som funksjon av IB → IC = β ·IB
Strømforsterkningen β vil være i område 50 - 300
IC    I B
Transistoren har 3 operasjons -”modi”
Base-Emitter Junction
Reverse biased
Forward biased
Forward biased
Collector-Base Junction
Reverse biased
Reverse biased
Forward biased
Operating Region
Cutoff
Active
Saturation
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
CUTOFF
Begge diodene er koplet i sperreretning
VCE = VCC (forsyningsspenning)
SATURATION
Begge diodene er koplet i lederetning
VCE ~ 0,1 -0,2 volt
ACTIVE
Base – Kollektor -dioden i sperreretning
Emitter – Base – dioden i lederetning
DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
Forholdet mellom IE, IC og
IBKirchhoff : I = I + I
E
B
C
DC- strømforsterkning β :
50 < β < 300
IC = β ·IB
For AC signaler brukes ofte betegnelsen
hFE på β
Straks base-emitter-dioden begynner å lede
vil strømmen IC holde seg nesten konstant –
selv om VCE øker kraftig.
IC øker litt pga redusert tykkelse på baseområde. Når VCE øker – øker tykkelsen på
”sperresjiktet” mellom basis og kollektor.
Hvis sperresjiktet fyller hele basis opplever
vi ”punch through” – gjennomslag.
Operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT
I transistorens aktive område vil kollektorstrømmen IC endre seg lite – selv om VCE
øker kraftig. Strømmen bestemmes helt av base-emitter-dioden – og strømmen IB
som trekkes ut på basen. ( laboppgave # 3 )
Arbeidslinje
- lastlinje
slope
1
RC
La transistoren arbeide i sitt aktive
område. Velg arbeidspunkt midt på
lastlinja.(Vcc/2). Se på figuren
hvordan små strømendringer på
basen gir store spenningsendringer
over transistoren.
( Transistor – trans resistans – et
uttrykk som forteller at komponenten
kan betraktes som en variabel
motstand.)
Bipolar Junction Transistor – BJT
brukt som forsterker
DC - beregning på en enkel transistorforsterker :
Du har gitt en transistor med kjent strømforsterkning β
Du velger VCC og IC
Du beregner RC , IB og RB
Eksempel : Vi har en npn-transistor BC546 med
strømforst. β = 100. Vi har et batteri på 9 volt
( VCC= 9 v ) Velger arbeidspunkt ved Vcc/2.
Det betyr at VCE må være 4,5 volt
Velger 1mA som kollektorstrøm.
RC 
4 ,5 volt
IB 
IC

1mA


4 ,5
10
1 mA
3
 4 ,5 k 
 10  A
100
V RB  9 v  0 ,7 v  8 ,3 volt
Kondensatorene stopper DC
– men slipper AC - signalet igjennom
RB 
8 ,3 v
10  A
 830 k 
Datablad for en Bipolar Junction Transistor – BC546
Denne transistoren brukes på laben i FYS1210
β
En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - temperaturproblemer
Strømforsterkningen β vil endre seg med
temperaturen. Det betyr at arbeidspunktet A
vil flytte seg langs last linjen med
temperaturen.
 var ierer ( 100  200 )
IC
I CQ   tem p  I B
A1
A2
A3
VCE
Vi vil ha en krets hvor strømmen ICQ er
mest mulig stabil – uavhengig av β
Emitter motkopling - (neg. feedback)
Bru ker Kirchhof
1)
langs basestrømv eien
V CC  I B  R B  V BE  I E  R E  0
og ser på emitterstr ømmen
kombinerer
1 ) og 2 )  I CQ
2) I E  I C    I B
V
 V BE
 CC
Hvis R E  R B 
RB
 RE

vil I CQ være uavhengig
av 
 I CQ  ( V CC  V BE ) R E
En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - temperaturproblemer
Best stabilisering mot temperaturdrift og variasjoner i β får
vi med en emittermotstand RE og i tillegg ”låse fast”
spenningen på basen med en spenningsdeler - R1 og R2)
(Denne koplingen har fått navnet Universal bias)
  50
Skal vi gjøre en kretsanalyse på denne kretsen
må vi bruke Thevenin – se fig. under.
I CQ 
V TH  V BE
R TH

and
V CEQ  V CC  I CQ  R C  R E

 RE
Hvis β varierer fra 50 til 100 vil ICQ
bare endre seg fra
β = 50 → ICQ= 1,46 mA
β = 100 → ICQ= 1,56 mA
Endring på 6,8% - når β dobles
Neste småsignalparametere
En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - Hvor stor
blir forsterkningen ? Vi ser på Småsignalmodeller
Vi har sett hvordan vi vha. en emittermotstand kan stabilisere
forsterkerens arbeidspunkt - Alle betraktninger så langt er gjort med
en DC – modell av forsterkeren. ( En statisk beregningsmodell )
- Men hvordan virker forsterkeren for små signaler ?
Vi erstatter det vanlige transistorsymbolet
med en småsignalmodell – og
signalstrømmer og spenninger angis med
små bokstaver
Mellom Base og Emitter ”ser” signalet en
”dynamisk” motstand rπ (BE-dioden)
– mellom Emitter og Collector finner vi en
strømgenerator som leverer
signalstrømmen iC . Denne strømmen
bestemmes av transistorens
transkonduktans gm
rπ og gm kalles småsignalparametere
Småsignalparametere : gm og rπ
Transkonduktans - steilhet gm
IC
I C    I ES  e
( benevning Siemens )
Emitterstr ømmen
hvor
I E  I ES  e
VD
VT
Steilhet
V D  V BE og V T  25 mV
gm 
ΔIC
( diodelikn i ngen )
IC  I E  I B  IC    I E
Steilheten
gm 
 1
ΔVBE
gm er gitt av tangenten til kurven for IC . Deriverer IC mhp. VEB
d (IC )
dV EB
   I ES  e
gm 
V EB
VT
1

VT
VT
VT

VT
1
IC
Eksempel : Forsterkeren settes opp
med IC = 2 mA
IC
2 mA
- som gir
gm 
 IC 
25 mV
 80 mS

IC
VT
VBE
V BE
IC
 V BE
VT
Småsignalparametere : gm og rπ
IC
Dynamisk inngangsmotstand rπ
r 
I C    I ES  e
 V EB
I B
IC    I B
ΔIC
en liten endring i I B gir stor endring i I C
1)  I B 
IC

2) g m 
IC
 V EB
ΔVEB
  I C  g m   V EB
Forholdet mellom ΔVEB og ΔIB kalles
den dynamiske inngangsresistansen rπ
Kombinerer likning 1) og 2)
I B 
g m   V EB

r 
 V EB
I B


gm

  VT
IC
VEB
V EB
VT
Transistorforsterker
Vi beregner spenningsforsterkningen AV
Steilhet
1)
 I C  g m   V BE
2)
V RC  I C  R C
Setter inn 1)
i
gm 
IC
 V BE
( ohms lov )
2 ) som gir
 V RC  g m   V BE  R C
Forsternin gen AV er definert som
AV 
V Output

V Input
 V RC
 V BE
Gitt VCC=10volt Setter VC= 5volt Vi bestemmer at IC = 2mA
Beregner
RC 
V RC
IC

5v
 2 ,5 k 
2 mA
Forsterkni ngen
gm 
IC
VT

2 mA
 g m  RC
AV  g m  R C
 80 mS
25 mV
A V  80 mS  2 ,5 k   200