Post on 29-Jan-2020
2014-04-09
1
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Katedra Elektroniki
dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl
dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl
TRANZYSTOR BIPOLARNY
EiT 2014 r. PD&IB 2
2014-04-09
2
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 3
Czy wiesz, że……: …. do niedawna tranzystor bipolarny był najpowszechniej stosowanym elementem półprzewodnikowym, wypowiadając słowo „tranzystor” rozumiano, że chodzi o tranzystor bipolarny.
…. prąd płynący między dwiema końcówkami tranzystora bipolarnego jest regulowany przez stosunkowo niewielki prąd płynący przez trzecią końcówkę.
B
C
E
pnp
B
C
E
npn
…. w tranzystorze bipolarnym w przepływie prądu biorą udział zarówno elektrony jak i dziury.
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 4
Jak to było z diodą……?:
UD
ID
T
p n
RL
T
Inne sposoby zwiększania prądu unoszenia ……???
2014-04-09
3
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 5
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
IC
UBC
IE
W dobrym tranzystorze pnp prawie wszystkie dziury wstrzykiwane z emitera do bazy są unoszone i zbierane w kolektorze. Temu założeniu sprzyja spełnienie warunków wąskiej bazy (Wb<<Lp) oraz długiego czasu życia dziur τp.
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 6
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
Na przepływ prądu bazy składają się:
1. Prąd elektronów rekombinujących z dziurami w bazie. 2. Prąd elektronów wstrzykiwanych do emitera pomimo mimo, że emiter
jest silniej domieszkowany niż baza.
3. Niewielki prąd elektronów (powstających w wyniku generacji termicznej) wpływający do bazy od strony zaporowo spolaryzowanego złącza kolektorowego.
2014-04-09
4
TRANZYSTOR BIPOLARNY BILANS PRZEPŁYWU DZIUR I ELEKTRONÓW
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 7
p+ p n
iE
iC
iB
iEn
iEp
3
przepływ elektronów
4 5
za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman
1 wstrzykiwane dziury tracone na rekombinację w bazie
2 dziury osiągające złącze kolektora spolaryzowanego zaporowo
3 cieplna generacja elektronów i dziur tworzących prąd nasycenia złącza kolektora spolaryzowanego zaporowo
4 elektrony dostarczane przez kontakt bazy i rekombinujące z dziurami
5 elektrony wstrzyknięte do emitera poprzez złącze
1 2
przepływ dziur
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSPÓŁCZYNNIKI WZMOCNIENIA PRĄDOWEGO
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 8
przepływ dziur
p+ p n
przepływ elektronów
iE
iC
iB
iEn
iEp
1 2
3 4 5
za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman
EpC Bii
Współczynnik transportu bazy (jaka część wstrzykniętych dziur dotarła za pośrednictwem bazy dotarła do kolektora
EpEn
Ep
ii
i
Współczynnik sprawności wstrzykiwania emitera
Bii
Bi
i
i
EpEn
Ep
E
CWzmocnienie prądowe między emiterem a kolektorem
EpEnEp
EpEnEp
EpEn
Ep
B
C
iiiB
iiiB
iBi
Bi
i
i
/1
/
1
EpEnB iBii 1
11 B
B
i
i
B
C
t
p
2014-04-09
5
TRANZYSTOR BIPOLARNY WZMACNIACZ OE – OPIS JAKOŚCIOWY
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 9
Przykład:
10V
p
n
p+
iC
10
0kΩ
uBE
uCE 100V
5kΩ
iB
iE
C
E
B
sp 10
st 1.0
100t
p
B
C
i
i
mAk
VIB 1.0
100
10
mAII BC 10
ib[mA]
0.05 t
ic[mA] 5
t
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 10
TRANZYSTOR BIPOLARNY STRUKTURY TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH
B
C E
npn
n+ p n E C
B
B
C E
pnp
p+ n p E C
B
E- emiter B – baza C - kolektor
2014-04-09
6
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 11
TRANZYSTOR BIPOLARNY PASMOWY MODEL ENERGETYCZNY TRANZYSTORA
C
p
n+
E B
n
z polaryzacją
E B C
bez polaryzacji
qUEB
-qUCB
TRANZYSTOR BIPOLARNY KONFIGURACJE PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 12
B
C E OB
uWY uWE
B
C
E uWY
uWE
OE
B
C
E
uWY
uWE
OC
2014-04-09
7
TRANZYSTOR BIPOLARNY STANY PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 13
B
C E
EEB ECB
aktywny normalny
B
C E
EEB ECB
odcięcia
B
C E
EEB ECB
aktywny inwersyjny
B
C E
EEB ECB
nasycenia
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 14
B
C E
npn
uBE
E C
B uBC
iE iC
iB
iF iR
αRiR αFiF
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
CS
Un
u
ESFC eIeIi
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
CSR
Un
u
ESE eIeIi
2014-04-09
8
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 15
nE, nC – współczynniki nieidealności złącza emiterowego i kolektorowego
αR – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB
przy aktywnej pracy inwersyjnej
IES – prąd rewersyjny nasycenia złącza emiterowego przy zwartym złączu kolektorowym
RF
CCS
II
1
0
ICS – prąd rewersyjny nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym RF
EES
II
1
0
αF – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB
przy aktywnej pracy normalnej
0CEFC III E
CCF
I
II 0
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 16
IS – transportowy prąd nasycenia
tożsamość Onsagera SCSRESF III
równania E-M uzależnione tylko od trzech parametrów
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
R
SUn
u
SC eI
eIi
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
S
Un
u
F
SE eIe
Ii
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
2014-04-09
9
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 17
Jeżeli zdefiniujemy przez iF prąd przewodzenia diody emiterowej przy pracy aktywnej
normalnej, oraz przez iR prąd diody kolektorowej dla aktywnej pracy inwersyjnej:
To otrzymamy równania E-M w postaci:
TE
BE
TE
BE
Un
u
ES
Un
u
ESF eIeIi 1
1TE
BC
Un
u
CSR eIi
RRFE iii
RFFC iii
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 18
B
C E
npn
uBE
E C
B uBC
iE iC
iB
iF iR
αRiR αFiF
Cjbe Cjbc
Cdbc Cdbe
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
2014-04-09
10
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 19
Charakterystyki wejściowe
UBE
IB
UCE1 UCE2
UCE1<UCE2
.constUBEB CEUfI
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 20
Charakterystyki przejściowe
.constUBC CEIfI
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
IB
IC
UCE1
UCE2
UCE1<UCE2
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
2014-04-09
11
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 21
Charakterystyki wyjściowe
.constICEC BUfI
UCE
IC
IB1
IB1<IB2 …
IB2
IB3
IB4
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 22
Określanie punktu pracy Q
IC
UBE
UCE
IE
IB
uwe
RC
+UCC
RB
uwy
BEBBCC URIU
B
BECCB
R
UUI
CECCCC URIU
BC II
CCCCCE RIUU
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2014-04-09
12
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 23
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Wpływ wyboru punktu pracy na właściwości wzmacniające wzmacniacza
UCE
IC
UBE
IB
Q(UCE, IC) Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 24
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy zapewniający maksymalną dynamikę zmian napięcia wyjściowego
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2014-04-09
13
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 25
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Przesterowanie wzmacniacza
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 26
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar nasycenia
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2014-04-09
14
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 27
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar odcięcia
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 28
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Stany pracy tranzystora w polu charakterystyk wyjściowych
UCE
IC
Q(UCE, IC)
-1/RC
Pmax=ICUCE
obszar nasycenia
obszar odcięcia
obszar aktywny
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2014-04-09
15
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
EiT 2014 r. PD&IB 29
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 30
ic
uce
ib
eg
Rc
+UCC
Rb
BEPbBF URIE
b
BEPFB
R
UEI
CEcCCC URIU
BC II
cCCCCE RIUU
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
ub
EF
-ER eg
EF
-ER
eg
uce
t
t
2014-04-09
16
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 31
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
ic
uce
ib
eg
Rc
+UCC
Rb
ub
EF
-ER eg
UCE
IC
-1/RC
UCC
UCC/RC
UCEsat
b
BEPFBF
R
UEI
c
CC
c
CEsatCCCM
R
U
R
UUI
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 32
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
R
T
F
F
B
C
R
R
B
C
r
TCEsat U
I
I
I
I
UU
1ln
11
11
ln
QB QS
nB(x)
nB(0)
nB(xB)
xB 0
t
BC
QI
BBFB IQ
B
C
BF
t
I
I
dt
dQQti B
BF
BB
równanie kontrolne ładunku bazy dla pracy aktywnej
dt
dQ
dt
dQQQti SB
S
S
BF
BB
równanie kontrolne ładunku bazy dla stanu nasycenia
2014-04-09
17
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 33
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
za: „Układy elektroniczne cz. II Układy analogowe nieliniowe i impulsowe”, J. Baranowski, G. Czajkowski
Eg EF
-ER
t
t
EF RbCb
ub
-ER
ib(0)=(EF+ER)/Rb ib
ic
t
t
t
uce
UCC
RC
+UCC
RB
eg ub uce
1 CM
BF
BG
BFF
I
I
I
IK
jejcb CCC ||
b
RFb
R
EEi
0
CMBG
II
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 34
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
Eg EF
-ER
t
t
EF RbCb
ub
-ER
UBEP
IBF RbCb
ib(0)=(EF+ER)/Rb ib
ic ICM
t
t
t
uce
td
UCC
RC
+UCC
RB
eg ub uce
βIBF
UCEsat
tr BEPF
RFbbd
UE
EECRt
ln
czas opóźnienia
czas narastania
1
ln
F
Fjcctr
K
KCRtt
2014-04-09
18
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 35
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
Eg EF
-ER
t
t
EF RbCb
ub
-ER
UBEP
RbCb
(IBF+IBR)RBF
RbCb -IBR
IBF RbCb
ib(0)=(EF+ER)/Rb ib
ic ICM
t
t
t
uce
βIBF
βIBR td tr ts tf
UCEsat
UCC
RC
+UCC
RB
eg ub uce
BRCM
BRBFSs
II
IIt
ln
czas magazynowania
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 36
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
Eg EF
-ER
t
t
EF RbCb
ub
-ER
UBEP
RbCb
(IBF+IBR)RBF
RbCb -IBR
IBF RbCb
ib(0)=(EF+ER)/Rb ib
ic ICM
t
t
t
uce
βIBF
βIBR td tr ts tf
UCEsat
UCC
RC
+UCC
RB
eg ub uce
BR
BGBRjcctf
I
IICRtt
ln
czas opadania
tt – czas przelotu
2014-04-09
19
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: przełączanie 37
PRZEŁĄCZANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
Eg EF
-ER
t
t
EF RbCb
ub
-ER
UBEP
RbCb
(IBF+IBR)RBF
RbCb -IBR
IBF RbCb
ib(0)=(EF+ER)/Rb ib
ic ICM
t
t
t
uce
βIBF
βIBR td tr ts tf
UCEsat
UCC
RC
+UCC
RB
eg ub uce
rdON ttt
czas włączenia
czas wyłączenia fsOFF ttt
TRANZYSTOR BIPOLARNY
MODELE i PARANETRY MAŁOSYGNAŁOWE
EiT 2014 r. PD&IB 38
2014-04-09
20
MODEL MAŁOSYGNAŁOWY – CEL
Tranzystor to element nieliniowy
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 39
Rysunek zaczerpnięto z: W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”, WNT 1979
Nieliniowe charakterystyki
Charakterystyki tranzystora bipolarnego dla pracy w układzie wspólnego emitera
)1()1(
)1()1(
T
BC
T
BE
T
BC
T
BE
mU
u
CSnU
u
ESNC
mU
u
CSInU
u
ESE
eIeIi
eIeIi
Model Ebersa-Molla dla tranzystora bipolarnego npn
Nieliniowy model
E IE IC
IB UBE UBC
C
B
I II N IN
IN II
MODEL MAŁOSYGNAŁOWY – CEL tranzystor w obwodzie
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 40
G E
C
B
2014-04-09
21
IE
IC
IB
UBE
UBC
I II
N IN
IN
II
MODEL MAŁOSYGNAŁOWY – CEL tranzystor w obwodzie
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 41
G E
C
B
I C (t) = ?
RC
UZ RB
Uwe(t)= Awesin(t)
1exp1exp
1exp1exp
T
BCCS
T
BEESNC
T
BCCSI
T
BEESE
mU
UI
nU
uUII
mU
UI
nU
UII
Proste oczko.
Kto je policzy?
Model nieliniowy (np.: Ebersa-Molla) jest niewygodny do analiz tranzystora w większych układach elektronicznych
MODEL MAŁOSYGNAŁOWY – JAK?
Tranzystor – element nieliniowy
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 42
Rysunek zaczerpnięto z: W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”, WNT 1979
Charakterystyki tranzystora bipolarnego dla pracy w układzie wspólnego emitera
Liniowy model
Jak to zrobić ?
Wokół punktu pracy PP
linearyzacja
charakterystyk
model zbudowany z elementów liniowych
(ale z pewnymi ograniczeniami) PP
PP
PP
2014-04-09
22
MODEL MAŁOSYGNAŁOWY tranzystor jako czwórnik aktywny
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 43
E
C
B
iC = IC + ic
iB = IB+ ib
uBE=UBE+ube
uCE=UCE+uce
UCC
UBE
RC
uwe
Punkt pracy w obszarze aktywnym
składowa stała
składowa zmienna - małosygnałowa
uBE
iC
UBE
IC
UBE + ube
IC + ic ic
RC uce ube
Rg
ug
ib ic
Dla sygnałów zmiennych o małej amplitudzie tranzystor zastąpimy czwórnikiem liniowym
linearyzacja ch-ki
CZWÓRNIK LINIOWY powtórka z Teorii obwodów
W ogólnym przypadku:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 44
czwórnik liniowy U2 U1
I1 I2
Równania impedancyjne:
U1 = Z11 I1 + Z12 I2
U2 = Z21 I1 + Z22 I2
Równania admitancyjne:
I1 = Y11 U1 + Y12 U2
I2 = Y21 U1 + Y22 U2
Równania mieszane (hybrydowe):
U1 = H11 I1 + H12 U2
I2 = H21 I1 + H22 U2
2014-04-09
23
MODELE CZWÓRNIKOWE dla MAŁYCH SYGNAŁÓW
Małe sygnały – oznaczenia: małe litery z małymi indeksami
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 45
Równania impedancyjne:
u1 = z11 i1 + z12 i2
u2 = z21 i1 + z22 i2
Równania admitancyjne:
i1 = y11 u1 + y12 u2
i2 = y21 u1 + y22 u2
Równania hybrydowe:
u1 = h11 i1 + h12 u2
i2 = h21 i1 + h22 u2
i1 i2 z11
u1 u2
z22
z12 i2 z21 i1
i1 i2
u1 u2 y12 u2 y21 u1 y22 y11
i2
u1 u2 h21 i1 h22
i1 h11
h12 i2
MODEL HYBRYDOWY parametry dla WE
• impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu (dla składowej napięcia zmiennego na wyjściu)
• wsteczna transmitancja napięciowa przy rozwartym wejściu (rozwarte źródło prądu zmiennego na wejściu)
• transmitancja prądowa - wzmocnienie prądowe przy zwartym wyjściu (dla składowej napięcia zmiennego na wyjściu)
• admitancja wyjściowa przy rozwartym wejściu (rozwarte źródło prądu zmiennego na wejściu)
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 46
i2
u1 u2 h21 i1 h22
i1 h11
h12 i2
e
ub
be
constUB
BE
u
hi
u
i
u
i
uh
ceCE
11
001
111
2
e
ice
be
constICE
BE
i
hu
u
u
u
u
uh
bB
12
002
112
2
e
ub
c
constUB
C
u
hi
i
i
i
i
ih
ceCE
21
001
221
2
e
ice
c
constICE
C
i
hu
i
u
i
u
ih
bB
22
002
222
1
E E
B C
2014-04-09
24
MODEL HYBRYDOWY parametry dla różnych konfiguracji
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 47
WE WB WC
1+
MODEL FIZYCZNY
Pewne odwzorowanie zjawisk fizycznych zachodzących w tranzystorze – schemat zastępczy
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 48
„Nietypowa” charakterystyka
przejściowa iC = f(uBE)
uBE
iC
UBE
IC
PP
• Transkonduktancja – wpływ wejścia na wyjście
• Transkonduktancja zwrotna – wpływ napięcia wyjściowego na wejście
• Konduktancja wejściowa – cha-ka wejściowa (tranzystor „od wejścia”)
• Konduktancja wyjściowa – cha-ka wyjściowa (tranzystor „od wyjścia”)
constUUBE
Cm
CEBE
u
ig
,
constUUCE
Br
CEBE
u
ig
,
constUUBE
B
CEBE
u
ig
,
constUUCE
Co
CEBE
u
ig
,
gm
ch-ka przejściowa
ch-ka zwrotna
ch-ka wejściowa
ch-ka wyjściowa
2014-04-09
25
MODEL FIZYCZNY hybryd- dla OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 49
B C
E E
gm ube go gce
Ch-ki tranzystora bipolarnego dla OE
• od strony wyjścia: źródło prądowe sterowane sygnałem z wejścia: gm ube
• od strony wejścia: konduktancja wejściowa: g gbe
• od strony wyjścia: konduktancja wyjściowa: go gce
uce
ic
g gbe
ib
ube
UPROSZCZONY
gm ub'e ub'e
MODEL FIZYCZNY hybryd- dla OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 50
B C
E E
go gce
Ch-ki tranzystora bipolarnego dla OE
• od strony wyjścia: źródło prądowe sterowane sygnałem z wejścia: gm ube
• od strony wejścia: konduktancja wejściowa: g gbe
• od strony wyjścia: konduktancja wyjściowa: go gce
• od strony wejścia: rezystancja obszaru bazy: rbb‘
• z wejścia na wyjście bezpośrednio: sprzężenie rezystancyjne baza-kolektor: rb'c
• pojemność złącza emiterowego Cb‘e i pojemność złącza kolektorowego Cb'c
C Cb'c
Cb'e uce
ic B' rbb'
g gb'e
rb'c ib
ube
PEŁNY
2014-04-09
26
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (1)
Transkonduktancja gm
• z definicji: czyli nachylenie „nietypowej” ch-ki przejściowej IC = f(UBE)
• z punktu pracy: różniczkując prąd diody emiterowej z modelu Ebersa-Molla:
i uwzględniając prąd kolektora (IC = IE):
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 51
BE
Cm
U
Ig
TE
E
BE
Em
Un
I
U
Ig
)(
)1( TE
BE
Un
U
ESE eII
uproszczona zależność
– wsp. wzm. prądowego dla OB nE – wsp. nieidealności złącza emiterowego UT – potencjał elektrotermiczny IC – stały prąd kolektora polaryzujący tranzystor
TE
Cm
Un
Ig
w praktyce nE = 1
T
Cm
U
Ig
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (2)
Konduktancja wejściowa gb'e
• z definicji: czyli nachylenie ch-ki wejściowej IB = f(UBE) - niepraktyczne
• z punktu pracy: dla układu OE jest:
zatem z modelu Ebersa-Molla prąd bazy dla OE:
Następnie korzystając z def.:
uwzględniając: mamy:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 52
BE
Beb
U
Ig
'
– wsp. wzm. prądowego dla OB 0 – wsp. wzm. prądowego dla OE nE – wsp. nieidealności złącza emit. UT – potencjał elektrotermiczny IC – prąd kolektora pol. tranzystor
)1(
,
EB
ECCEB
BCE
II
IIIII
III
TE
BEESB
Un
UII exp)1(
TE
BEES
TEeb
Un
UI
Ung exp)1(
1'
TE
Beb
Un
Ig '
0C
B
II
00'
m
TE
Ceb
g
Un
Ig
2014-04-09
27
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (3)
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 53
Rezystancja rozproszona bazy rbb'
• z porównania modelu hybryd- i hybrydowego: ebebb rhr '11'
Konduktancja wyjściowa gce
• z definicji:
• uwzględniając efekt Early’ego: i różniczkując z def. mamy:
CE
Cce
U
Ig
Sprzężenie rezystancyjne rb‘c
• z definicji:
• ale UCB >> UBE, to: i U A>> UCE, to: B
CBcb
I
Ur
'
A
CEBC
U
UII 10
CEA
C
ABce
UU
I
UIg
10
C
CEA
ceC
CEcb
I
UU
gI
Ur
0
0
0
'
Tm
Acb
Ug
Ur 0'
UA – napięcie Early’ego
ece hg 22
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (4)
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 54
Pojemność wejściowa C – złącza emiterowego Cb'e
jedeeb CCCC '
pojemność dyfuzyjna
pojemność złączowa
1
1'' ebF
T
EFdeeb g
U
ICC
Pojemność sprzęgająca C – złącza kolektorowego Cb‘c
Pojemność złączowa zaporowo spolaryzowanego
złącza baza-kolektor
2014-04-09
28
MODEL hybryd- dla OB
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 55
constUE
C
BC
i
i
T
E
constUUBE
Eeb
U
I
u
ig
BCBE
,
'
10
''
ebeb
gg
meb gg '
ie ic
rbb'
ub'e
ucb
gcb' geb' gm ueb'
ie
E C
B'
B
Ceb'
gce
Ccb'
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
Kiedy, dla jakich częstotliwości, tranzystor przestanie spełniać swoją podstawową
funkcję, czyli wzmacniać?
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 56
Zakres stosowalności: TF
Małosygnałowe wzmocnienie prądowe dla zwartego
wyjścia:
eb
cbeb
eb
m
b
ebm
ub
c
g
CCj
g
g
j
ji
jugj
i
ij
ce
'
''
'
'
0
1
)(
)(
)()(
)(
2014-04-09
29
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość graniczna f – przy, której wzmocnienie (f) zmniejszy się o 3dB:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 57
2)( 0 f
eb
cbeb
eb
m
g
CCj
g
g
j
'
''
'
1
)(
2
22
2
22 11)(
X
GX
X
Gj
2222 111)(
X
GXj
X
G
Xj
Gj
Oznaczając : eb
cbeb
eb
m
g
CCX
g
gG
'
''
'
,
2)( 0 f
2
0
222
0
22
2222
0
2
22
2
22
21
21
211
GX
X
GXG
X
GX
X
G
X
1
cbeb
eb
CC
g
''
'
)(2 ''
'
cbeb
eb
CC
gf
0
'
meb
gg
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość graniczna f – przy, której wzmocnienie (f) zmniejszy się o 3dB:
Postępując analogicznie jak dla WE otrzymujemy:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 58
2)( 0 f
'
'
2 eb
eb
C
gf
2014-04-09
30
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość przenoszenia fT – przy, której moduł wzmocnienia (f) =1
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 59
eb
cbeb
eb
m
g
CCj
g
g
j
'
''
'
1
)(
)(2 ''
'
cbeb
eb
CC
gf
f
fj
f
1
)( 0
f
fj
f
fj
f
1
1)(
0
ff przy:
dla: jest: Tff 1)( f
Tf
f
0
1
ffT 0
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 60
||, ||
f [kHz]
1 10 100 1000 10000
1
0
f
f T
-3dB
-3dB f
Tranzystor bipolarny pracujący w układzie wspólnej bazy ma -razy większą częstotliwość graniczną
ff 0