Wykłady 7 · 2013. 12. 5. · Tranzystor JFET – parametry Parametry statyczne: - napiecie...

Elementy elektroniczne

Wykłady 7:

Tranzystory polowe

Podział

Tranzystor polowy

(FET)

Złączowy

(JFET)

Z izolowaną bramką

(IGFET)

ze złączem m-s

(MSFET)

ze złączem PN

(PNFET)Typu MOS

(MOSFET, HEXFET)

cienkowarstwowy

(TFT)

z kanałem zuobożanym

(normalnie włączone)

z kanałem wzbogacanym

(normalnie wyłączone)

z kanałem typu N z kanałem typu P

Tranzystor PNFET (JFET)

n p+p+

Drain

Source

Gate Gate

D

G

S

G

D

S

Kanał N

Kanał P

Tranzystor JFET – zasada działania

n p+p+

+

-

UGS1

warstwa

zaporowa

+

-

UDS

=0.1V

p+p+

+

-

UGS2

warstwa

zaporowa

+

-

UDS

=0.1Vn

UGS1

< UGS2I

DID

Tranzystor JFET – zasada działania

n p+p+

+

-

UGS1

warstwa

zaporowa

+

-

UDS

=10V

p+p+

+

-

UGS2

warstwa

zaporowa

+

-

UDS

=10Vn

UGS1

< UGS2I

DID

Tranzystor JFET – charakterystyki

Tranzystor JFET – parametry

Parametry statyczne:

- napiecie progowe Up

- prąd drenu IDSS (UGS = 0)

- rezystancja w stanie włączenia rds

- maksymalny prąd bramki IGmax

- prąd drenu w stanie odcięcia IDmin

Parametry dynamiczne:

- transkonduktancja gmm

- pojemność wejściowa CweS

- pojemność wyjściowa CwyS

- pojemność zwrotna CwS

- pole wzmocnienia fS

- czas włączenia ton

- czas wyłączenia toff

Tranzystor JFET – parametry

Parametry graniczne:

- maksymalne napięcie źródło dren UDSmax

- maksymalny prąd drenu IDmax

- maksymalne napięcie bramka – źródło UGSmax

- moc strat Pmax

Tranzystor JFET – punkt pracy

Tranzystor JFET – ograniczenia

Tranzystory polowe– punkt pracy

Układy polaryzacji – układ dwubateryjny

-EGG

ED

UDSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

Tranzystor JFET – statyczny nieliniowy model

wielkosygnałowy (zakres pentodowy)

G D

S

2

1

P

GSDSS

U

UI

-UGS

Układy polaryzacji – układ dwubateryjny

-EGG

EDU

DSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

S

G D

SDQGGGSQ RIEU

SDDQDDSQ RRIEU

Układy polaryzacji – układ z automatycznym

minusem

ED

UDSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

Układy polaryzacji – układ z automatycznym

minusem

UDSQ

RG

RD

RS

UGSQ

IG

S

G D

2

1

P

GSDSSDQ

U

UII

ED

SDQGSQ RIU

SDDQDDSQ RRIEU

Układy polaryzacji – układ

potencjometryczny

ED

UDSQ

R2

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

R3

R1


potencjometryczny

EGG

ED

UDSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

21

2

RR

REE DGG

3

21

21 RRR

RRRG


potencjometryczny

EGG

UDSQ

RG

RD

RS

UGSQ

IG

S

G D

2

1

P

GSDSSDQ

U

UII

ED

SDDQDDSQ RRIEU SDGGGSQ RIEU

Układy polaryzacji – stabilność punktu pracy

a) – układ dwubateryjny dla

Rs = 0;

b) – układ z aut. minusem

c) – układ potencjometryczny

Wzrost Rs zwiększa

stabilność

Układy polaryzacji – układ ze sprzężeniem

drenowym

ED

UDSQ

R2

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

R1

Układy polaryzacji – układ ze sprzężeniem

drenowym

21

2

21

2

RR

RRRI

RR

REU DSDQDGSQ

SDDQDDSQ RRIEU Dla (R1 + R2) >>RS:

Nie ma konieczności stosować dużych RS

ED

R2

RD

RS

IG

R1

UDSQ

UGSQ S

G D

2

1

P

GSDSSDQ

U

UII

Układy polaryzacji

Przykład obliczania elementów układu polaryzacji

Przykładowe zadanie

Oszacuj punkt pracy tranzystora (IDQ, UDSQ) pracującego w układzie

wzmacniacza z rys.5. Do obliczeń należy przyjąć: RD = 5 kW, RS = 1 kW,

RG = 1 MW, ED = 10 V, IDSS = 4 mA, Up = -2 V.

2

1

p

GS

DSSDU

UII

S

GS

SDR

UII

02

02

02

102

012

012

1211

2

2

2

2

22

222

222

2

2

2

2

2

22

p

DSSS

p

pGSGS

DSSS

pGS

GSGSpp

DSSS

pGS

DSSS

GSDSSS

DSSS

GSpDSSS

DSSS

pDSSS

DSSSpGSGSDSSSGSpDSSSpDSSS

pGS

p

GSDSSS

p

DSSS

GS

DSSS

pGS

GSDSSS

pGS

GSDSSS

GS

DSSS

GSGS

p

GS

p

GSDSSS

S

GS

p

GSDSS

UIR

UUUU

IR

UUUUUU

IR

UU

IR

UIR

IR

UUIR

IR

UIR

IRUUUIRUUIRUIR

UUU

UIR

U

IR

U

IR

UU

UIR

UU

UIR

U

IR

UU

U

U

U

UIR

R

U

U

UI

043

0441

422

2

2

GSGS

GSGS

UU

mkUU

jeżeli założymy, że ID=IS i IG=0 to

, więc mamy równanie kwadratowe:

Wstawiając dane, otrzymujemy:

VU

VU

GS

GS

4

1

2

1

VRIRIU

mAR

UI

VU

sDDDDS

s

GS

D

GS

4151010

11000

1

1

1

1

Rozwiązujemy równanie kwadratowe i otrzymujemy 2 prawdopodobne wyniki:

Z warunku, że UGS>UP odrzucamy wynik 2, więc

Sprawdzenie z PSPICE

Tranzystor JFET – dynamiczny nieliniowy

model wielkosygnałowy (zakres pentodowy)

G D

S

Cgd

Cgs

2

1

P

GSDSS

U

UI

Pojemności Cgs i Cgd – rzędu pF

Praca impulsowa tranzystora będzie omówiona na

przykładzie tranzystora MOS

Tranzystor JFET – liniowy model

małosygnałowy OS

Tranzystor JFET – częstotliwość graniczna

Tranzystor JFET – liniowy model

małosygnałowy OD i OG

Tranzystor JFET – przykładowe parametry

Tranzystor JFET – model nieliniowy

dynamiczny Pspice’a

Tranzystor JFET – model liniowy dynamiczny

Pspice’a

Tranzystor JFET – model szumowy Pspice’a

Tranzystor JFET – model małosygnałowy i

szumowy Pspice’a

Tranzystory z izolowana bramką – MOS

Normalnie wyłączone (z kanałem wzbogacanym)

p

n+

DrainSource

Base

Gate

n+

SiO2

n

p+

DrainSource

Base

Gate

p+

SiO2

Tranzystory z izolowana bramką – MOS

Normalnie włączone (z kanałem zubożanym)

n

p+

DrainSource

Base

Gate

p+

SiO2

p

n+

DrainSource

Base

Gate

n+

SiO2

p p

Tranzystor MOSFET z kanałem typu P normalnie

wyłączony

p+

p+

SiO

2

n

+

-

UGS

+

- D

G

S

p+

p+

SiO

2

n

+

-

UGS

+

-D

G

S

ID

ID

UDS

=0.1V UDS

=10V


wyłączony

2TGSD UUkI

L

WCk xn

2

0

W,L – szerokość i długość kanału

C0x – pojemność warstwy izolującej bramkę

n – ruchliwość nośników

Tranzystor MOSFET z kanałem typu N normalnie

wyłączony

UGS

D

G

S+

-

UGS

D

G

S

ID

ID

UDS

=0.1V UDS

=10V

n+

n+

SiO

2

p

n+

n+

SiO

2

p

+

-

+

-

+

-


wyłączony

2TGSD UUkI


włączony

p+

p+

SiO

2

n

+

-

UGS1

+

- D

G

S

p+

p+

SiO

2

n

+

-

UGS1

+

-D

G

S

ID

ID

UDS

=0.1V UDS

=10V

UGS2

> UGS1

p+

p+

SiO

2

n

+

-

UGS2

+

- D

G

S

ID

UDS

=10V


włączony

2

1

T

GSDSSD

U

UII


włączony

+

-

UGS1

D

G

S

ID

UDS

=0.1V

n+

n+

SiO

2

p+

-

UGS1

D

G

S

ID

UDS

=10V

n+

n+

SiO

2

p+

-

+

-

UGS2

> UGS1

UGS2

D

G

S

ID

UDS

=10V

n+

n+

SiO

2

p+

-

+

-


włączony

Tranzystor MOSFET – ograniczenia charakterystyk

Tranzystory MOSFET - parametry

Parametry statyczne:

- napiecie progowe UT

- prąd drenu IDSS (UGS = 0)

- rezystancja w stanie włączenia rdsON

- maksymalny prąd bramki IGmax

- prąd drenu w stanie odcięcia IDmin

Parametry dynamiczne:

- transkonduktancja gmm

- pojemność wejściowa CweS

- pojemność wyjściowa CwyS

- pojemność zwrotna CwS

- pole wzmocnienia fS

- czas włączenia ton

- czas wyłączenia toff

Tranzystory MOSFET - parametry

Parametry graniczne:

- maksymalne napięcie źródło dren UDSmax

- maksymalny prąd drenu IDmax

- maksymalne napięcie bramka – źródło UGSmax

- moc strat Pmax

Statyczny model nieliniowy

G D

S

-UGS

NORMALNIE WYŁĄCZONY

KANAŁ P

2TGS UUk

G D

S

2TGS UUk U

GS

NORMALNIE WYŁĄCZONY

KANAŁ N

Statyczny model nieliniowy

G D

S

2

1

P

GSDSS

U

UI

UGS

NORMALNIE WŁĄCZONY

KANAŁ P

G D

S

2

1

P

GSDSS

U

UI

-UGS

NORMALNIE WŁĄCZONY

KANAŁ N

Dobór punktu pracy

W pracy nieliniowej tranzystory MOSFET stosuje się w

układach przełączających dużej mocy.

Układy polaryzacji

EGG

ED

UDSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

ED

UDSQ

RG

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

ED

UDSQ

R2

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

R3

R1

ED

UDSQ

R2

RD

RS

IDQ

UGSQ

IG

R1

Obowiązują zależności takie jak dla układów polaryzacji tranzystorów JFET

Tranzystory polowe – wpływ temperatury

1. Złączowe - temperatura wpływa na prąd zerowy złącza

PN, powodując zmniejszanie się rezystancji wejściowej

tranzystora.

2. Temperatura wpływa na wartość UP – napięcie to

zmienia się ze wsp. Temperaturowym równym około –

2.3 mV/0C

3. Temperatura wpływa na ruchliwość nośników w kanale.

Wzrost temperatury – spadek ruchliwości – spadek

konduktancji wyjściowej i przejściowej tranzystora,

spadek częstotliwości granicznej

Tranzystory polowe – wpływ temperatury

Dynamiczny model nieliniowy

G D

S

Cgd

Cgs

2

1

T

GSDSS

U

UI

lub

2TGS UUk

Praca impulsowa tranzystora MOSFET

eG(t)

RG

RD

UDD

uGS

(t)

uDS

(t)

iD(t)

CL

Praca impulsowa tranzystora MOSFET

gdgsG CCR 1

TF

dUE

Et ln1

dr tt 12.2 Lgd

gd

DCC

CEU

LDCR2 DDSDDasympt RIUU

asymptDSsat

asymptDDD

UU

UUUt ln22

mD

DL

gR

RC

13 32 ttttt rdON

OFFR

fUE

Et ln1 22,2 passt

passOFF tt 22.2

Model małosygnałowy tranzystora MOSFET

Model małosygnałowy tranzystora MOSFET -

OS

Częstotliwość graniczna tranzystora MOSFET

Szumy tranzystorów polowych

Konfiguracje pracy

Tranzystory polowe – parametry

admitancyjne

Model małosygnałowy tranzystora MOSFET –

OG i OD

Dla konfiguracji OG i OD obowiązuja takie same modele jak

dla tranzystora JFET. Należy uwzględnoć w nich pojemność

dren – podłoże Cdb.

Porównanie konfiguracji pracy tranzystora

Przykładowe parametry

Tranzystory MOSFET – model nieliniowy

dynamiczny Pspice’a

Najbardziej złożone modelowanie -

3 poziomy. Bardzo duża liczba

parametrów.

Dokładny opis – np. „Pspice – komputerowa

symulacja układów elektronicznych”, J.

Izydorczyk, Wydawnictwo Helion

Tranzystory MOSFET – model małosygnałowy

Pspice’a

Tranzystory MOSFET – model szumowy

Pspice’a

Podsumowanie

Wykłady 7 · 2013. 12. 5. · Tranzystor JFET – parametry Parametry statyczne: - napiecie...

Documents

Transcript of Wykłady 7 · 2013. 12. 5. · Tranzystor JFET – parametry Parametry statyczne: - napiecie...