4. Tranzistoare bipolare

Lucian Balut 1

Capitolul 4Tranzistorul bipolar

4.1 Preliminarii

4.2 Comportarea tranzistorului bipolar in regim cvasistatic de semnal mare

4.3 Comportarea tranzistorului bipolar in regim cvasistatic de semnal mic

4.4 Polarizarea tranzistorului bipolar.

Lucian Balut 2

4.1 Preliminarii

4.1.1 Structură, simbol, notaţii;

4.1.2 Principiul de funcţionare;

4.1.3 Conexiunile tranzistorului;

Lucian Balut 3

4.1 Preliminarii4.1.1 Structură, simbol, notaţii

Definitie: În mod uzual, tranzistorul bipolar este definit ca fiind o structură de tip “npn”sau “pnp” care respectă două condiţii:

- baza foarte îngustă;- emitorul puternic dopat.

pE n++ n C

B

Joncţiuneacolectorului

Joncţiuneaemitorului

nE p++ p C

B

Joncţiuneacolectorului

Joncţiuneaemitorului

tranzistor npn tranzistor pnp

Lucian Balut 4

4.1 Preliminarii4.1.1 Structură, simbol, notaţii

E emitor; are rolul de a “emite” (genera) purtători;C colector; are rolul de “colecta” purtătorii emişi de emitor;B are rolul de a controla fluxul de purtători dintre emitor şi colector

C

E

B

iC

iE

iB

vCE

vBE

vCB

C

E

B

iC

iE

iB

vEC

vEB

vBC

iC curent de colector;iE curent de emitor;iB curent de bază;

vCE tensiune colector-emitor;vCB tensiune colector-bază;vBE tensiune bază-emitor;

Lucian Balut 5

4.1 Preliminarii4.1.2 Principiul de funcţionare

Observatie: După cum s-a amintit deja, tranzitorul bipolar are în structură două joncţiuni:

joncţiunea bazǎ– emitor (sau joncţiunea emitorului) şi

joncţiunea bazǎ –colector (sau joncţiunea colectorului).

Funcţionarea tranzistorului depinde în mod evident de starea acestor joncţiuni. Din acest punct de vedere pot exista patru situaţii dupǎ cum urmeazǎ:

Lucian Balut 6


Regim saturat

Jonctiune baza-emitor

Conductie Blocata

Con-ductie

Blocata

Jonctiune

Baza Colector

Regim blocatRegim activ normal

Regim activ inversat

Lucian Balut 7


1. Ambele joncţiuni sunt blocate. Tranzistorul se comportǎ ca un circuit întrerupt. Curenţii prin tranzistor au valori neglijabile ceea ce matematic înseamnă

0Ci

0Bi

Explicaţia constǎ în faptul cǎ fiecare joncţiune în parte se comportǎ ca un circuit întrerupt. Despre tranzistor se spune cǎ lucreazǎ în regim de blocare

Model matematic

Lucian Balut 8


2. Ambele joncţiuni sunt în conducţie. Tranzistorul se comportǎ ca un scurcircuit. Tensiunile pe joncţiunile tranzistorului sunt foarte mici ceea ce matematic înseamnă:

Explicaţia constǎ în faptul cǎ fiecare joncţiune în parte se comportǎ ca un scurtcircuit. Despre tranzistor se spune cǎ lucreazǎ în regim saturat.

0BCv

0BEvModel matematic

Lucian Balut 9


3. Joncţiunea emitorului este în polarizata direct (conducţie) iar joncţiunea colectorului este polarizată invers (blocata). În această situaţie apare efectul de tranzistor (printr-o joncţiune polarizată invers trece un curent de valoare relativ mare).

emitter

n

collector

base

p++ p

collectorjunction

emitterjunction

emittern

collector

base

p++ p

collectorjunction

emitterjunction

emitter

n

collector

base

p++ p

collectorjunction

emitterjunction

EC ii α este un factor de transport cu valori cuprins se intre 0.9 şi 0.99

Lucian Balut 10


3. Joncţiunea emitorului este în polarizata direct (conducţie) iar joncţiunea colectorului este polarizată invers (blocata). – cont.

EC ii

BCE iii

1

BC ii

Model matematicBC ii

VvBE

Tranzistorul se comportǎ între colector şi emitor ca un generator de curent comandat

Despre tranzistor se spune cǎ lucreazǎ în regim activ normal..

Lucian Balut 11


4. Joncţiunea colectorului este în conducţie, iar joncţiunea emitorului este blocatǎ.

În practică această stare nu este utilizată. Despre tranzistor se spune cǎ lucreazǎ în regim activ inversat

Lucian Balut 12

4.1 Preliminarii4.1.3 Conexiunile tranzistorului

a.) Conexiunea emitor comun.

iB

iC

Intrare

Iesire

vBE

vCE

Semnalele de intrare (sau de comandǎ) sunt:tensiunea vBE – tensiunea bazǎ emitor, şicurentul iB – curentul de bazǎ

Semnalele de ieşire (sau comandate)tensiunea vCE – tensiunea colector emitor, şicurentul iC – curentul de colector

Lucian Balut 13


b.) Conexiunea colector comun

Semnalele de intrare (sau de comandǎ) sunt:tensiunea vBC – tensiunea bazǎ colector, şicurentul iB – curentul de bazǎ

Semnalele de ieşire (sau comandate)tensiunea vEC – tensiunea emitor colector, şicurentul iE – curentul de emitor

iB

iE

Intrare

Iesire

vBC

vEC

Lucian Balut 14


c.) Conexiunea bazǎ comuna

Semnalele de intrare (sau de comandǎ) sunt:tensiunea vEB – tensiunea emitor bazǎ, şicurentul iE – curentul de emitor

Semnalele de ieşire (sau comandate)tensiunea vCB – tensiunea colector bazǎ, şicurentul iC – curentul de colector.

iCiE

Intrare IesirevEB vCB

Lucian Balut 15


Observatie În regim cvasistatic de semnal mare tranzistorul bipolar este integral descris de douǎ şi numai douǎ ecuaţii, numite ecuatii caracteristice statice, sau pe scurt, caracteristici statice

BCECC ivii , CEBEBB vvii ,

Prezentul subcapitol işi propune sǎ prezinte forme explicite pentru expresiile de mai sus, iar pe baza lor sǎ dezvolte modele aproximative pentru tranzistoarele bipolare.

Lucian Balut 16


4.2.1 Caracteristici statice;

4.2.2 Modele de semnal mare pentru TB

4.2.3 Abateri de la teoria ideală

4.2.4 Limitări în funcţionare.

Lucian Balut 17

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.1 Caracteristici statice

BCECC ivii ,

CEBEBB vvii ,

.constiCECC Bvii

.constvBCC CEiii

.constvBEBB CEvii

.constvCEBB BEvii

caracteristica de ieşire,

BC ii

caracteristica de intrare

nu se foloseşte întrucât iB practic nu depinde de vCE

Lucian Balut 18

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.1 Caracteristici statice (cont.)

.constiCECC Bvii a.) caracteristica de ieşire

vCE

iC

iB1

iB2

iB3

iB4Regiunea activă normalăvCB=0

Regiunea desaturatie

Regiunea deblocare

Lucian Balut 19

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.1 Caracteristici statice (cont.)b.) caracteristica de intrare .constvBEBB CE

vii

vBE

iBvCE1

vCE2>vCE1

γV

1. este vorba de caracteristica unei diode,

2. practic iC nu depunde de vCE

Lucian Balut 20

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.2 Modele aproximative pentru TB

a.) Modele aproximative pentru regimul de blocare.

Ecuaţiile de dispozitiv

iB=0iC=0

B

E

C

vBE vCE

C

E

B

Lucian Balut 21


b.) Modele aproximative pentru regimul de saturatie.

Ecuaţiile de dispozitiv

vBE≈0vCE≈0

C

E

B

B

E

CiCiB

Lucian Balut 22


c.) Modele aproximative pentru regimul activ normal.

Model de ordin zero

C

E

B

Model matematic

Model de ordin unu


VvBE

VvBE

EC ii

B

E

C

FiBvBE

iB

Lucian Balut 23


c.) Modele aproximative pentru regimul activ normal (cont).

Model de ordin doi

C

E

B

Model matematic

T

BESC e

vIi exp

T

BE

F

SB e

vIi exp

B

E

C

T

BESC e

vexpIi

IS/F

iB

Lucian Balut 24


c.) Modele aproximative pentru regimul activ normal (cont).

Model de ordin doi (varianta)

C

E

B


T

BE

F

SB e

vIi exp

B

E

C

FiBIS/F

iB

Lucian Balut 25

RCRB1

EC

RB2 RE

RC

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

I

RERB2

IE

I2

I1RB1

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.2 Modele aproximative pentru TB - aplicatii

I=I1+IB

I1=I2+IB

IB+IB=IE

EC=IBRC+VCE+IERE

-VBE=-VCE-IBRC+I1RB1

VBE=I2RB2-IERE

Model de ordin unu

Lucian Balut 26

RCRB1

EC

RB2 RE


Model de ordin zero

15k

10k

1k

9.3k

25V

10 V24 V

9.3V

1 mA

Lucian Balut 27


R1 R2

R3 R8

R5 R6

R7

R12 R13

R4 R11 R10 R9

T1 T2

T3

T4

T5 T6

T7

T8

T9

T10

+EC

-EE

UO

Ui-

Ui+

12 K 12 K

1.5 K

4.17K

3 K

+12V

8.67K

4 K4 K

6 K

6.7 K

9.85 K

1.5 K 1.5 K-12V

Lucian Balut 28


Nodul Potentialul manual (V)

Potentialul automat (V)

Nodul Potentialul manual (V)

Potentialul automat (V)

UI- 0 0 VET5 5,35 5,336

UI+ 0 0 VCT10 -9,85 -9,856

VCT1 6 5,994 VET10 -10,50 -10,51

VCT2 6 5,994 VET9 -10,50 -10,51

VET1 -0,65 -0,64 VCT9 0,65 0,638

VET1 -9 -8.997 VCT7 7,35 7,343

VCT4 -5,35 -5,339 Uo 0 -0,038

VET4 -9 -9,015 EC 12 12

VCT5 8 8,041 EE -12 -12

VCT6 8 8,001

Lucian Balut 29

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.3 Abateri de la teoria ideală

Comentariu Analiza prezentată până în acest moment a considerat tranzistorul bipolar un dispozitiv ideal. Din punct de vedere formal, au fost omise două categorii de factori care pot influenţa comportarea tranzistorului:

-fenomenul de străpungere al joncţiunilor;-efectele temperaturii.

Lucian Balut 30

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.3 Abateri de la teoria idealăa.) Străpungerea tranzistorului bipolar

Există in principiu trei probleme ce vor fi prezentate:- străpungerea normală (primară), - străpungerea secundară şi - ambalarea termică.

I. Străpungerea normală (primară),

vCE

VS= aprox.30 V

IB=0IB=0.01mA

IB=0.02mA

IB=0.04mA

iC

IB=-0.01mA

IB=-0.02mA

Lucian Balut 31

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.3 Abateri de la teoria idealăa.) Străpungerea tranzistorului bipolar

II. Străpungerea secundara

Străpungere primară IB=0

vCE

iC Străpungere secundară

III. Ambalarea termică Ta Tj iC

Ta - temperatura ambiantăTj - temperatura joncţiunii

Lucian Balut 32

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.3 Abateri de la teoria ideală

b.) Variaţia cu temperatura Parametrii în discuţie sunt cei ce apar în schemele echivalente prezentate. Pentru regiunea activă normală este mai variatia lui vBE., Referitor la vBE - fiind tensiunea unei joncţiuni polarizată direct - respectă legea de variaţie amintită si anume, valoarea coeficientului cVF este cuprinsă între 2-2.5mV/oC.

Lucian Balut 33

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.4 Limitări în funcţionare

În cazul joncţiunii pn s-a arătat că există în principiu trei tipuri de limitări de care trebuie să ţină cont un proiectant:

- limitare la tensiune inversă maximă necesară pentru evitarea fenomenului de străpungere;- limitare la curent direct maxim necesară pentru evitarea efectelor termice distructive.- limitarea functie de puterea maxim disipata

Lucian Balut 34

4.2 Regim cvasistatic de semnal mare 4.2.4 Limitări în funcţionare

vCE

iC

ICmax

regiune desaturaţie

regiune deblocare

arie de siguranţă

VCES

PDmax

tensiune maximă colector - emitor; depăşirea acestei valori duce la apariţia fenomenului de multiplicare în avalanşă la nivelul joncţiunii de colector; curent maxim de colector; depăsirea acestei valori duce la distrugerea termică a structurii;putere disipată maximă; această valoare trebuie să fie mai mică decât limita impusă de catalog; depăsirea acestei valori duce la distrugerea structurii tot prin efect termic

Lucian Balut 35


bemc vgi

r

vi beb

T

BESC e

vIi exp

T

BE

F

SB e

vIi exp

T

C

BE

Cm e

I

dv

dig gm[mS]=40IC[mA]

m

C

B

BE

C

BE

B gdi

di

du

di

du

dir

11

Liniarizare Taylor

Lucian Balut 36


bemc vgi

r

vi beb

Model matematic

Schema echivalenta

B

E

C

vbe r gmvbe

ib ic

bc ii

r

vi beb

Model matematic

Schema echivalenta

B

E

C

r βib

ib ic

rgm

Lucian Balut 37

4.4 Polarizarea tranzistorului bipolar

1. Punct static de funcţionare

2. Circuit elementar de polarizare

Lucian Balut 38


4.4.1 Punct static de funcţionare

Definitia 1: Termenul de polarizare desemnează procedeul de aplicarea a tensiunilor de curent continuu pe dispozitiv, în vederea funcţionării corespunzătoare a lui.

Definitia 2: Totalitatea tensiunilor şi curenţilor de curent continu “formează” punctul static de funcţionare (PSF)

Comentariu Pentru un tranzistor bipolar PSF cuprinde: VBE, VCE, VCB, IC, IB şi IE

Observaţia 1. Pentru specificarea PSF sunt necesare numai două din cele şase mărimi menţionate.

Observaţia 2. În calculul PSF este suficient să fie determinată o singură mărime. Uzual aceasta este IC.

Lucian Balut 39


4.4.1 Punct static de funcţionare

Problema Stabilizarea PSF funcţie de efectele temperaturii şi dispersia parametrilor.

Observatia 3 Pentru a considera stabilizat PSF funcţie de variaţiile de temperatură şi dispersia parametrilor este suficient să se asigure stabilizarea IC

Criterii de alegere a PSF

1. Menţinerea unei funcţionări liniare. 2. Controlul parametrilor de semnal mic. 3. Controlul disipaţiei puterii.

Lucian Balut 40


4.4.2 Circuit elementar de polarizare

a.) schema RCRB

EC

b.) rol elemente, notaţii folositeRB rezistenţă pentru polarizarea bazei.RC rezistenţă de sarcină.; are importanţă

în analiza de curent alternativc.) analiza de semnal mar

RCRB

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

II=IB+IB

EC=IB RC+VCE

VBE=-IBRB+IBRC+VCE

B

BECBC R

VEII

Lucian Balut 41


4.4.3 Circuit practic de polarizare

a.) schema

b.) rol elemente, notaţii folosite

RB1, RB2 divizor de polarizare; asigură în bază potenţialul necesar PSF

RC rezistenţă de sarcinăRE asigură stabilizarea termică a

etajului;

RCRB1

EC

RB2 RE

T IC VRE VE VBE IC

Lucian Balut 42



c.) analiza de curent continuu

RCRB1

EC

RB2 RE

RC

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

I

RERB2

IE

I2

I1RB1

Lucian Balut 43



c.) analiza de curent continuu (cont.)

RC

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

I

RERB2

IE

I2

I1RB1

I=I1+IB

I1=I2+IB

IB+IB=IE

EC=IBRC+VCE+IERE

-VBE=-VCE-IBRC+I1RB1

VBE=I2RB2-IERE

Sistemul conţine şase necunoscute deci problema este rezolvată. IC se calculează prin înmulţirea cu a lui IB. Acest tip de abordare nu se întâlneşte în literatura de specialitate. Motivaţia stă în numărul mare de ecuaţii care oricum conţin necunoscute neinteresante din punctul de vedere al PSF.

Lucian Balut 44




RC

EC

RB RE

EB

RC

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

I

RERB

IE

EB

RCRB1

EC

RB2 RE

Echivalare Thevenin

Lucian Balut 45




RC

IB VBEEC

IB

B C

E

VCE

I

RERB

IE

EB

IE=IB+IB

EC=IBIC+VCE+IE

EB-VBE=REIE+RBIB

E ER

R RB CB

B B

2

1 2

RR R

R RBB B

B B

1 2

1 2

EB

BEBC RR

VEI

1

Documents

4. Tranzistoare bipolare