Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra...

2014-04-02

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, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – elementy wzmacniające 2

ELEMENTY WZMACNIAJĄCE

TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE JFET

TRANZYSTORY BIPOLARNE

TRANZYSTORY POLOWE Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ MOS

2014-04-02

2

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – elementy wzmacniające 3

ZASADY WZMACNIANIA

Tranzystory mogą spełniać w układach elektronicznych wiele różnych funkcji, ale wzmacnianie stanowi jego główną cechę użytkową.

W układzie wzmacniacza tranzystor przekształca słabe i zmienne w czasie sygnały na sygnały dużej mocy.

„Tranzystorowy człowiek” Paul Horowitz Sztuka Elektroniki

TRANZYSTORY ZŁĄCZOWE

JFET (JUNCTION FIELD EFFECT TRANSISTOR)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tranzystor JFET 4

2014-04-02

3


TRANZYSTOR JFET PODSTAWY DZIAŁANIA

n D S

IDS

U

Przy U=const., w jaki sposób możemy zmieniać prąd ID?

W tranzystorach JFET prąd przenoszony jest przez nośniki większościowe i sterowany jest polem elektrycznym przyłożonym z zewnątrz



UxS

x 0

UDS

D S

IDS

U

n

p+

p+

0 x

G UGS=0

2014-04-02

4



Kształt warstw zubożonych w kanale złączowego tranzystora polowego przy zerowej polaryzacji bramki

zakres liniowy

IDS

UDS

x 0 L

IDS D S n

p+

p+

G




w pobliżu zamknięcia kanału

x 0 L

IDS D S n

p+

p+

G

IDS

UDS

2014-04-02

5




powyżej zamknięcia kanału

IDS

UDS

x 0 L

IDS D S n

p+

p+

G

Po „zaciśnięciu” kanału prąd ulega nasyceniu. Różniczkowa rezystancja kanału dUDS/dIDS staje się bardzo duża.


TRANZYSTOR JFET WPŁYW UJEMNEJ POLARYZACJI BRAMKI

D S

IDS

n

p+

p+

G IDS

UGS=0

UGS=-2

UGS=-4 UDS

2014-04-02

6


TRANZYSTOR JFET WYZNACZANIE NAPIĘCIA PROGOWEGO

x D S n

p+

p+

0 L

G

a h

W 2

1

20

D

GD

qN

UxW

Wyznaczamy szerokość warstwy zubożonej dla x=0, (zakładamy pomijalnie mały potencjał kontaktowy oraz z uwagi na koncentracje domieszek rozszerzanie się obszaru zubożonego głównie w kanale):

Zaciśnięcie kanału przy drenie wystąpi gdy:

000 xWaxh

Czyli W(x=0) = a. Jeżeli zdefiniujemy napięcie progowe UP, jako napięcie UGD przy zamykaniu kanału, to:

aqN

U

D

P

2

1

2

2

2

DP

NqaU


TRANZYSTOR JFET WYZNACZANIE PRĄDU DRENU

Różniczkowa objętość części obojętnej kanału:

x D S n

p+

p+

0 L

G

a h

W

UxS

x 0

UDS

L

dx

y

x z dxxhZ )(2

)(2 xhZ

dxRezystancja objętości jednostkowej:

(Ρ- rezystywność kanału, Z – grubość kanału)

Prąd IDS nie zmienia się wzdłuż kanału i jest związany z różniczkowym spadkiem napięcia dUxS na elementarnej objętości :

dx

dUxhZI xS

DS

)(2

Szerokość h(x) w punkcie x zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału -UGx

2014-04-02

7


Szerokość h(x) w punkcie x zależy od lokalnej polaryzacji zaporowej bramki i kanału -UGx


2

1

2

1

12

)()(P

GSxS

D

Gx

U

UUa

qN

UaxWaxh

Wykorzystaliśmy zależności: xSGSGx UUU 2

2

DP

NqaU

Po podstawieniu do wzoru na prąd IDS, otrzymujemy:

dxIdUU

UUZaDSxS

P

GSxS

2

1

12

Po operacji całkowania dostajemy:

2

3

2

3

03

2

3

2

P

GSDS

P

GS

P

DSPDS

U

UU

U

U

U

UUGI

gdzie L

aZG

20 jest konduktancją kanału

Powyższe równanie jest słuszne do osiągnięcia stanu „zaciśnięcia” kanału, kiedy UDS-UGS=UP

Wyprowadzenia przedstawiono na podstawie: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman



Dla małych napięć UDS<UGS-UP, prąd drenu jest liniową funkcją UDS w liniowym zakresie pracy tranzystora:

3

1

3

2 2

3

0

P

GS

P

GSPDSS

U

U

U

UUGI

Przy założeniu, że prąd nasycenia pozostaje równy wartości osiągniętej przy „zaciśnięciu” kanału otrzymujemy:

DS

P

GSD U

U

UGI

10

Dla napięć UDS>UGS-UP, tranzystor pracuje w zakresie nasycenia:

2

1

P

GSDSSD

U

UII

2014-04-02

8


TRANZYSTOR JFET RZECZYWISTE CHARAKTERYSTYKI PRĄDU DRENU

DSP

GSDSSD u

U

uII

11

2

iD

uDS

uGS=0 uDS-uGS=UP

uGS=-UP

zakres liniowy

zakres nasycenia

zakres przebicia

1/λ

- współczynnik modulacji długości kanału: opisuje skrócenie kanału pod wpływem napięcia UDS i spowodowany tym wzrost prądu drenu ID

- prąd drenu w zakresie nasycenia przy uwzględnieniu skrócenia kanału


TRANZYSTOR JFET MODEL WIELKOSYGNAŁOWY

D S

G

ID

rDD rSS

CGD CGS

2014-04-02

9


TRANZYSTOR JFET RODZAJE PRZEWODNICTWA

uDS

uGS

iD

G

D

S

Tranzystor z kanałem typu n

n p+

S

D

G

iD

uGS

IDSS

UP

iD

uDS

uGS=0 uDS-uGS=UP

uGS=-UP


TRANZYSTOR JFET RODZAJE PRZEWODNICTWA

Tranzystor z kanałem typu p

p n+

S

D

G uDS

uGS

iD

G

D

S

iD uGS

IDSS

UP iD uDS

uGS=-UP

uDS-uGS=UP uGS=0

2014-04-02

10

RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2

UDS [V] 0 2 4 6 8 10 12 14

0

5

10

Charakterystyka wyjściowa

UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

ID [mA]

TRANZYSTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tranzystor JFET: wzmacniacz 19

we

uwe

uwy

wy

Punkt pracy tranzystora – punkt na ch-ce wyjściowej o współrzędnych (UDS, ID)

ID

DDDDDS URIU

Równanie dla oczka wyjściowego: po przekształceniu (ID=f(UDS)):

D

DDDS

D

DR

UU

RI

1

UDS [V]

0 2 4 6 8 10 12 14 0

5

10

UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

UGS [V]

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0

ID [mA]


Uwe Uwy


WZMACNIANIE

2014-04-02

11


UDS [V]

0 2 4 6 8 10 12 14 0

5

10

UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

UGS [V]

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0

ID [mA]

Uwe Uwy

PRZESTEROWANIE


UDD

RD

C2

UDS

wy

Prąd drenu w nasyceniu to: (pomijając skrócenie kanału dla uproszczenia) (1)

Całkowite napięcie na bramce UGS(t): (2)

podstawiając (2) do (1): (3)

składowa stała ID składowa zmienna id

Dla odpowiednio małych amplitud napięcia wejściowego uwe można dokonać linearyzacji ch-k tranzystora. Mówimy wtedy o analizie małosygnałowej i modelu liniowym tranzystora.

Warunek „małosygnałowości” napięcia wejściowego wynika z takiego doboru uwe, aby drugi człon składowej zmiennej był pomijalnie mały (pamiętając, że uwe = ugs):

(4)

po przekształceniach: (5)

warunek małosygnałowości


TRANZYSTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY – OPIS ANALITYCZNY

2

1

P

GSDSSD

U

UII

gsGSGS uUu

gs

P

gs

DSSgs

P

GS

P

DSS

P

GSDSS

P

GSDSSD u

U

uIu

U

U

U

I

U

UI

U

uIi

2

22

1211

gs

P

gs

DSSgs

P

GS

P

DSS uU

uIu

U

U

U

I2

12

gsGSP uUU 2

2014-04-02

12

Zatem, uwzględniając warunek małosygnałowości można całkowity prąd drenu zapisać jako liniową funkcję ugs:

(6)

Warunek „małosygnałowości” pozwala na pominięcie składowej zależnej od ugs2.

Pozostaje tylko składowa zmienna proporcjonalna do napięcia ugs – zatem słuszne jest mówienie o linearyzacji charakterystyk i modelu liniowym tranzystora.

Jeśli w równaniu (6) współczynnik proporcjonalności przy ugs nazwiemy przez gm to prąd dreny można zapisać jako: (7)

Współczynnik gm ma wymiar [A/V] i zależy od punktu pracy tranzystora oraz jego własności fizycznych reprezentowanych przez UP i IDSS.

Parametr gm to transkonduktancja: (8)

Rozważano tu transkonduktancję dla zakresu nasycenia, w takim zakresie pracuje tranzystor we wzmacniaczu. Czytelnik sam przeanalizuje przypadek pracy tranzystora w zakresie liniowym korzystając z podanej dalej definicji transkonduktancji.


gs

P

GS

P

DSSDD u

U

U

U

IIi

12

gsmDD ugIi

P

GS

P

DSSm

U

U

U

Ig 12

TRANZYSTOR JFET JAKO ELEMENT WZMACNIAJĄCY – OPIS ANALITYCZNY c.d.

UGS [V]

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0

ID [mA]

0

5

10

IDSS

CH-KA PRZEJŚCIOWA

Transkonduktancja (z def.): [A/V]


TRANZYSTOR JFET PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE cz.1

.constUGS

Dm

DS

U

Ig

Nachylenie stycznej do ch-ki przejściowej w punkcie pracy

tranzystora.

Transkonduktancja opisuje własności wzmacniające tranzystora

Interpretacja graficzna

PP

PP – punkt pracy

UDS=const.

2014-04-02

13

RG

U2

U1

RD

G

R1 C1

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tranzystor JFET: regulowany rezystor 25

regulowany dzielnik sygnałów zmiennych

we

uwe uds

R’DS

dzielnik:

dswe

dsDS

DS

DSweds

uu

uRR

RR

Ruu

1'

1'

'

Czy: R’DS = RDS

a, może: R’DS = rds

?

?

TRANZYSTOR JFET JAKO REGULOWANY REZYSTOR

obowiązuje przy RD >> R’DS


RG

U2

U1

RD

G

R1 C1we

uwe uds R’DS

UDS [V]

0 2 4 6 8 10 12 14

0

5

10

ID [mA] UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

Charakterystyka wyjściowa

Rezystancja: • statyczna • dynamiczna

DS

DSDS

I

UR

ds

dsds

i

ur

DS

DS

DS

DSds

I

U

I

Ur

lub inaczej (z def.):

(UDS, IDS)=(6V; 8,2mA) RDS = 6V/8,2mA

RDS = 731

bardzo małe

nachylenie

rds - bardzo duże


2014-04-02

14


UDS [V]

0 2 4 6 8 10 12 140

5

10

ID [mA] UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

UDS [V]

Rezystancja: • statyczna • dynamiczna

DS

DSDS

I

UR

ds

dsds

i

ur

DS

DS

DS

DSds

I

U

I

Ur

lub inaczej:

RDS = 1V/6,5mA

RDS = 154

(UDS, IDS)=(1V; 6,5mA)

rds = 1V/5,5mA

rds = 181

RG

U2

U1

RD

G

R1 C1we

uwe uds R’DS

W zakresie liniowym: R’DS RDS

W zakresie nasycenia: R’DS = rds


: JFET - regulowany rezystor

: JFET - wzmacniacz

• Transkonduktancja (omówiona wcześniej)

• Konduktancja wyjściowa (drenu)

z def.

• Rezystancje szeregowe źródła i drenu (rdd i rss) (często pomijane na schematach ze względu na b. mały wpływ)

• Pojemności bramka-dren Cgd i bramka-źródło Cgs


TRANZYSTOR JFET PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE cz.2

.constUDS

Dds

GS

U

Ig

UWAGA: konduktancje są opisane różnymi zależnościami i mają różne wartości w zakresie liniowym i nasycenia

2014-04-02

15


TRANZYSTOR JFET SCHEMAT MAŁOSYGNAŁOWY

D

gds

Cgd

S

gmUgs

G

S

Cgsugs

Częstotliwość odcięcia fT


TRANZYSTOR JFET OGRANICZENIA CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

To taka częstotliwość, przy której prąd wejściowy równa się prądowi źródła

sterowanego z modelu małosygnałowego, przy zwartym wyjściu.

Przy zwartym wyjściu prąd wejściowy:

Przy częstotliwości odcięcia fT moduł prądu wejściowego ma być równy modułowi prądu źródła sterowanego, zatem:

gsgdgswe uCCji )(

gsmgsgdgsT

gsmgsgdgsTwe

UgUCCf

UgUCCi

)(2

)(

)(2 gdgs

mT

CC

gf

D

gds

Cgd

S

gmUgs

G

S

Cgsugs

iwe

Ostatecznie:

2014-04-02

16

Po co to wszystko? JAKI JEST CEL MODELOWANIA MAŁOSYGNAŁOWEGO?

Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej , jeśli UDD=10V a RD=1k i UGG=1V.

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor JFET 31

RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2

UGS [V]

-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0

ID [mA]

0

5

10

IDSS CH-KA PRZEJŚCIOWA

IDSS = 12mA

UP = -3V

Dla podanych danych jeśli: UDS > (-1V)-(-3V),

czyli UDS > 2, to tranzystor pracuje w nasyceniu.

Ten warunek jest spełniony – tranzystor

pracuje w nasyceniu




RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2

IDSS = 12mA

UP = -3V

UDS [V]

0 2 4 6 8 10 12 14 0

5

10

UGS=0V

UGS=-0,5V

UGS=-1V

UGS=-1,5V

UGS=-2V

Czy tranzystor pracuje w zakresie nasycenia? UDS > UGS UP

UDS

DDDDDS URIU

ID

Równanie dla oczka wyjściowego: po przekształceniu: i podstawieniu danych:

D

DDDS

D

DR

UU

RI

1

[mA] 101 DSD UI

UDS 4,7V

2014-04-02

17

RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2




Tranzystor zastępujemy schematem (modelem) małosygnałowym

dla małych częstotliwości można pominąć pojemności

D

gds

S

gmUgs

G

S

RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2

D

gds

S

gmUgs

G

S

tranzystor

RG

UDD

UGG

RD

G

C1

C2

D

gds

S

gmUgs

G

S

WY


Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli UDD=10V, RD=1k i UGG=1V.


dla sygnałów zmiennych zwieramy pojemności oraz źródła prądu stałego (ich Rwew = 0)

Poprzedni schemat przerysowano poniżej:

2014-04-02

18


Zadanie: obliczyć wzmocnienie układu z rysunku poniżej, jeśli UDD=10V, RD=1k i UGG=1V.


RG

RD

G

D

gds

S

gmUgs

G

S

tranzystor WY

RG RDG

D

gds

S

gmUgs

G

S

uwe uwy

Wzmocnienie napięciowe

we

wy

uu

uk

Po usunięciu niepotrzebnych elementów i ponownym przerysowaniu:

Pozostaje już tylko wyliczenie napięć wej. i wyj., ale po kursie teorii obwodów, to potrafi każdy student.

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra...

Documents

Transcript of Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra...