Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Tanzistorul Bipolar (TB) – prezentare funcţională
Modelul de TRANs-reZISTOR :
iE iC ( ≈ iE )
iB
Structura didactica (si polarizarea uzuala):
p n p
+ +
E C
B
UEB UBC
Bateria de ordinul 0,6 V pt. Si şi 0,2 V pt. Ge
W
W << L difuzie
[ contraexemplu pentru cazul că nu e satisfăcută această condiţie: ] D2 blocata
+ +
D1 D2
Structura planara:
p
n
p
E B C
Curenţii prin TB:
iE iC
+ +
iB
uEB uBC
ICB0
Simbolul Tranzistorului Bipolar:
Respectiv
E
B
C C E
B
PNP NPN
Săgeata marchează întotdeauna emitorul în sensul convenţional de curgere a sarcinilor.
Respectiv
Un model simplu pentru tranzistorul bipolar (PNP) în regiunea activă normală (RAN):
iB
β·iB
( E ) ( C )
( B )
iE
Caracteristicile de dispozitiv:
pantă β
parametru IB
IB UEC
IC
UEB
saturaţie RAN
Modelul Ebers-Moll:
curent rezidual IEB 0
cu colectorul în gol
curent rezidual ICB 0
cu emitorul în gol
βinvers · iB invers
βN · iB N
iB N
iB invers
iB
E C
Revenind la modelul simplu: Schema de curent continuu corespunzătoare este, uzual, conform modelului diodei cu prag.
iDiodă
uDiodă
0 UPrag
≈ 0.6 V pentru Si ≈ 0.2 V pentru Ge
aici dioda se înlocuieşte cu o baterie
Schema de curent continuu corespunzătoare: Pentru PNP :
iB
β·iB
( E ) ( C )
( B ) dual, pentru NPN:
iB
β·iB
( E ) ( C )
( B ) Schema globală de curent continuu foloseşte la calculul Punctului Static de Funcţionare (PSF): IC ( curentul continuu de colector )
UEC ( tensiunea între emitor şi colector)
Schema de c.a. Parametrii dinamici dependenţi de PSF: rd pentru dioda emitor-bază la curent alternativ (semnal mic ).
[ ]PSFîn CPSFîn B
dI40
Vβ
I
qkT r
⋅
⋅== unde
40
1V mV 25 qkT =≅
echivalent în curent alternativ cu:
E
B
C Ib β·Ib
( E ) ( C )
( B )
Ie
rbe
unde [ ]
PSF C B-E diodă be
I40
Vβ r r
⋅
⋅==
Efecte secundare reflectate în schema de curent alternativ
1. Stratul de bază subţire ( W << Ldifuzie ), se poate considera în curent alternativ o rezistenţă rbb’ serie cu rbe
rbb’
2. Grosimea efectivă a stratului de bază e dată de Regiunea de Sarcină Spaţială ( RSS ) a joncţiunii bază – colector invers polarizate. RSS se extinde mai mult spre colector dacă stratul subţire de bază e puternic dopat cu impurităţi adecvate n++.
Wefectivă
Wconstructivă
p p n++
Unde Wefectivă este dependentă de uBC , practic de uEC = uEB + uBC la care uEB este constant 0,6 V pt. Si şi 0,2 V pt. Ge.
bebebebC
EC
Irsau U 0Ipentru i
u
⋅==∂
∂reprezintă o altă rezistenţă suplimentară rce ( valoare de catalog, independentă de PSF
ca şi rbb’ de altfel ).
Acest "efect Early", de modulare a grosimii bazei de către uBC, (uEC) corespunde unei uşoare înclinări cu panta medie gce foarte mică palierelor BC iβi ⋅≈ în planul caracteristicii de ieşire ( de dispozitiv ).
-UEarly (zeci – sute V)
iC
uEC
panta medie gce
parametru iB
Schema de curent alternativ completată
Poartă de intrare Poartă de ieşire
Masă comună Acesta este un "tri-pol" reprezentabil "drept cuadri-pol" – diport echivalent cu:
≈Ube
Ib
rbe
rbb’
uzual 0≈
Ube rce
uzual ∞⋅β Ib
curentul se întoarce
-unde bIβ ⋅ este Sursă de Curent Comandată în Curent, se ştie faptul că bebeb Ug I ⋅= şi be m gβ g ⋅= care este panta tranzistorului bipolar. Putem calcula că bemb Ug Iβ ⋅=⋅ unde bem Ug ⋅ este Sursă de Curent Comandată în Tensiune.
Această schemă este echivalentă cu:
≈Ube
Ib
rbe
rbb’
uzual 0≈
Ube
rce
⋅µ Ube
-unde beUµ ⋅ este Sursă de Tensiune Comandată în Tensiune, se ştie faptul că mce gr µ ⋅= , be m gβ g ⋅= şi bebeb Ug I ⋅= . Putem calcula că bce be Iβr Uµ ⋅⋅=⋅ unde bce Iβr ⋅⋅ este Sursă de Tensiune Comandată în Curent. Detaliem o schemă practică utilizată în laborator:
E2 (Ealim)
E1 (Eaux)
RC
Raux
Caracteristicile de dispozitiv se intersectează cu caracteristica de circuit comandat în care curge curentul mare iC ( ≈ iE ), comandat de curentul mic iB.
iC
uCE
zona de saturaţie
parametru iB PSF
Ealim
Ealim / RC
caracteristica de circuit cu panta (-) GC
Pentru Siliciu, PSF-ul este:
Caux
aux I β
R
V 0.6 E=⋅
−
321C
BC alimCE
I
IβR E U ⋅⋅−=
Dacă creşte Eaux, o să crească IB şi o să crească deci IC şi o să scadă UCE ( ) IR E CCalim ⋅−= . Dacă scade UCE atunci scade VC, VE = 0. Valoarea VC poate coborî sub VB deci, odată cu creşterea puternică a IC, scade puternic VC ( = UCE aici ), deci PSF urcă pe obliga de circuit până când ajunge în zona de saturaţie. ( VC coboară sub VB deci se deschide şi joncţiunea Bază-Colector ). UCE tinde la 0, practic la 0.2 V deoarece V 0.7 V 0.5- V 0.2 += , ştim că U U U BECBCE += iar UCB = - 0.5 V este o deschidere incipientă a joncţiunii Bază – Colector iar UBE = 0.7 V o deschidere pronunţată a joncţiunii Bază – Emitor. UCE → 0 ( tinde la 0 ) aceasta înseamnă că tranzistorul bipolar e saturat, e asemenea unui întrerupător în conducţie ( curentul ce trece prin ea, e stabilit de restul circuitului ).
Se saturează (plafonează) curentul C
alimC
R
E I ≈ .
comandă comandă
saturaţie
Dacă scade Eaux ( de exemplu sub 0.6 V pentru Siliciu ) acest fapt implică anularea lui UR aux , aux Raux U V 0.6 - E = , iar TB iese din RAN ( Regiune Activă Normală ), nu se mai poate deschide joncţiunea Bază – Emitor iar IB = 0, IC = 0,
IR 0 - E V
CC
alimC
⋅
= .
Punctul de Funcţionare ( UCE , IC ) coboară la ( Ealim , 0 ) pe oblica de circuit.
Parametrii hibrizi ai diporţilor şi aplicarea lor în schemele cu TB
2 porţi, 4 variabile adică curenţii şi tensiunile la cele 2 porţi → rezultă n ecuaţii cu 2·n necunoscute (n fiind numărul de porţi). Sunt 6 C2
4 = moduri de a scrie matricial aceste ecuaţii.
Dintre acestea,
[ ]
⋅
=
×
2
1
22
2221
1211
2
1
U
I
h
hh
hh
I
U
43421
corespunde matricii parametrilor hibrizi.
[h] reprezintă structura diportului fixă pentru semnale variabile legate prin intermediul lui [h]. Pentru schema principală de amplificare în curent alternativ TB în conexiunea Emitor Comun ( Ecom. )
Poartă de intrare Poartă de ieşire
Masă comună [h] e cea mai simplă dintre cele 6 matrici.
[ ]
=
ce
be
ECom gβ
0r h
Justificare: Oricare ar fi poziţia TB, el se înlocuieşte în schema de curent alternativ cu:
- o rezistenţă rbe între bază şi emitor, parcursă de curentul de comandă Ib. - o Sursă de Curent Comandată în Curent SCCC, bIβ ⋅ şi în paralel o rezistenţă cu conductanţa gce între Emitor şi
Colector.
Schema de curent alternativ al TB – E.Com.
( B )
( E )
( C )
( ) Ug Iβ bemb ⋅=⋅rbe
Ib
Ube rce
h21·I1
impedanţă h11
admitanţă h22
h12·U2
Într-adevăr conform definiţiei parametrilor hibrizi [h] avem:
intrare
0 U1
1
11 Z I
U h
2
==
=
( intrare pe la poarta 1 , cu poarta 2 în scurtcircuit )
A U
U h invers sensîn u
0 I2
112
1
==
=
( intrare pe la poarta 2 şi ieşire pe la poarta 1 în gol )
A I
I h direct sensîn i
0 U1
221
2
==
=
( cu poarta 2 în scurtcircuit )
Y U
I h o
0 I2
222
1
==
=
( admitanţa de ieşire cu poarta 1 în gol )
Revenim la schema anterioară pentru TB –ECom.
r Z h be
itscurtcircuîn 2 poartacu
i11 == ( oricare ar fi semnalele la poarta 2, întrucât poarta 1 nu e influenţată de semnalul U2,
legăturile sunt simple şi Ib se întoarce, deci Ib şi Ube sunt determinate exclusiv de semnalul de la poarta 1 )
bbebe Ir U ⋅= unde Ib = Ii pentru alimentare cu curent alternativ ibeb Ug I ⋅= pentru alimentare cu tensiune alternativă
TB –ECom. aparţine diporţii unilaterali pentru care există situaţii în care modificările semalului de la poarta 2 ( sau poarta 1 ) nu influenţează semnalul de la poarta 1 ( sau poarta 2 ). În cazul de faţă nu există Sursă de Tensiune Comandată în Tensiune STCT, 0 Uh 212 =⋅ , în general ( ) 0 12 = pentru
unilateralitatea transmisiei de la poarta 1 la poarta 2.
0 U1
221
2I
I h
=
= acest U2 = Urce ( = 0 ) care implică curentul alternativ Irce = 0 , Iβ I b 2 ⋅=
conform schemei de calcul:
rbe
I1 = Ib I2
0
β
Iβ
I
I
I h
0 U
b
b
1
221
2
=
⋅
=
=
şi Y U
I h o
0 I2
222
1
==
=
conform schemei de calcul
rbe
I1 = Ib = 0 IΩ
Ω UΩ rce
curent 0
pasivizarea unei surse comandate
β·0
Această schemă este tocmai schema de măsurare a admitanţei interne Thevenin – Norton, ( h22 = ) gce.
ATENŢIE în aceste calcule NU se pasivizează sursele comandate.
Deci: h11 = rbe h21 = β h22 = gce ( = 1 / rce )
Etajele fundamentale de amplificare cu un TB
TB "Emitor Comun" (TB–ECom.)
Amplficarea de putere AP este cea mai importantă la TB–ECom., este maximă în comparaţie cu TB-BCom şi TB-CCom. La toate aceste conexiuni, variante de diporţi în curent alternativ, conectăm la intrare o sursă neideală însoţită de un Rgenerator internă, Thevenin-Norton finită şi nenulă în general. Ieşirea poate fi o simplă RL (Load) (ce poate reprezenta Ri în etajul următor). Dacă pasivizăm sursa de intrare, va rămâne doare Rgen , putem înlocui RL cu un ohmmetru şi să calculăm RO rezistenţa de ieşire în sens Thevenin-Norton.
RL
IO ( = -I2 ) VO Vi Ii ( = I1 )
( RGen ) DIPORT
Se calculează:
Amplificarea de tensiune i
ou
V
V A =
Amplificarea de curent i
oi
I
I A =
Amplificarea trans-impedanţă i
oz
I
V A =
Amplificarea trans-admitanţă i
oy
V
I A =
Amplificarea de putere ii
oop
IV
IV A
⋅
⋅=
i
ii
I
V R =
Ω
Ωo
I
U R = ( pentru schema specială cu
pasivizarea intrării ) Există relaţii evidente:
yziup AA AA A ⋅=⋅=
AR A iLz ⋅=
AR A yLu ⋅=
Relaţiile AR A uiz ⋅= şi AG A iiy ⋅= sunt colaterale. Observaţie: De obicei se exprimă Vi , Ii , Vo , Io , UΩ , IΩ în funcţie de mărimea de comandă Ib sau Ube care se simplifică direct în formula amplificărilor, evident independente de semnalul de intrare pentru sistemele ideale, lineare.
Revenim la TB-ECom.
rbe
Ii IO ( B )
( E )
( C )
bIβ ⋅
VO Vi
rce || RL
bi I I = , bebi rI V ⋅= , bo Iβ- I ⋅=
( ) ( )43421
o
b Lceo
I
Iβ R || r V ⋅−⋅=
bei r R = , β- A i = , ( ) ( )ceLiLcez r || Rβ- A R || r A ⋅=⋅=
321TB panta
g- gβ- A mbey =⋅= , ( )ceLmu r || Rg- A ⋅=
( )
ceL
L be2
u i p
r || Rsau
R g β AA A ⋅⋅+=⋅=
Observaţii : Faţă de celelalte conexiuni doar aici Ap e proporţional cu β2 , în rest Ap e proporţional doar cu β . De aceea TB - ECom. E conexiunea fundamentală de amplificare.
De fapt : [ ] Volti β
I40 g
PSFîn Cbe
⋅= unde acest β se simplifică cu factorul principal β2 , iar acest IC în PSF este de ordinul
Calim R E .
Schema pentru măsurarea Ro
rbe
I1 = Ib = 0 IΩ
Ω UΩ rce β·0 Rgen
( ) ideal TB din RO ∞= ( ) neideal TB din r R ceO =„ ochi pasiv “ ( t.e.m. = 0 ) Ib = 0
după pasivizarea sursei independente neideale de la intrare
Observaţie : Se poate trece pentru Rgen 0 pentru Sursa de Tensiune ideală la intrare ∞ pentru Sursa de Curent ideală la intrare
Reprezentare uzuală cu echivalare Norton şi/sau cu ramificaţii la bornele ohmetrului, (care a înlocuit pe RL ) face mai
convenabil decât Ω
Ω
I
U raportul :
ΩΩΩ
Ω ⋅+==
U
Iβ
U
I
U
I G
breo
Unde: Ω
=U
I g
rece iar aici UΩ = Urce
Ω
⋅=
U
Iβ G
bo , Ib = 0 deci Go din TB – ECom ideal = 0
TB-CCom
Schema de curent alternativ fără anexe de polarizare în curent continuu
( RGen )
Vi
VO
Ii
IO
RL
Vi VO
IO
RL
rbe
Ii = Ib
( B ) ( E )
( C )
rce bIβ ⋅
traseul T. II K. pentru calculul Vi
se recomandă evitarea tensiunii pe sursa de curent ( mereu calculată
aposterioric, inclusiv în c.c.)
( )[ ] ( ) b
Iβcu cumulat I
ceL
Vbe
bbei I1β r || R
U
Ir V
b
bo
⋅+⋅+⋅=
→→ ⋅
321
( )
+⋅⋅+=
Lce
cebo
Rr
rI1β I unde 1
Rr
r
Lce
ce=
+ pentru TB ideal cu rce = ∞
( )
( )1
r1βR
1βR A
beL
Lu →
++⋅
+⋅= când ∞→ β
Observaţie:
Tranzistorul Bipolar Colector Comun e repetor (de tensiune) pe emitor pentru că
i
b
o
e
V
V
V
V ≈ .
( )( )
ceLLbeL
y g Gsau G r1βR
1β A +→
++⋅
+= când ∞→ β ( gce este foarte mic )
( ) beLi
ii r1βR
I
V R ++⋅==
Atenţie:
RL se vede aici şi la intrare, comparativ Ri TB – ECom = rbe şi ( )1β
r R
beBCom TB i
+=−
( )
+⋅+=
Rr
r 1β A
Lce
cei
Practic are aceeaşi valoare absolută cu Ai TB – ECom = – β ( inversoare ), dar TB-CCom are Ai neinversoare .
( ) LiLz R1β AR A ⋅+=⋅=
Schema pentru calculul Ro
rbe
Ib IΩ
Ω UΩ rce Rgen
RO din TB ideal RO din TB neideal
bIβ ⋅
( )
( ) bgen be
b
Ω
r
Ω
Ωo
IRr
I 1β
U
I
U
I G
ce
⋅+
⋅++== , unde cerΩ U U = iar ce
Ω
rg
U
I ce
=
deci gen be
ceoRr
1β g G
+
++= unde Go din TB – CCom ideal este
gen be Rr
1β
+
+
∞ pentru β→∞ pentru citire în tensiune la ieşire Go din TB – CCom ideal:
( ) mbe
g r
1β ≈
+ → ∞ pentru că β → ∞ iar
Rgen = 0 pentru Sursa de Tensiune ideală la intrare Pentru funcţia de repetor de tensiune ideal nu este suficient doar ca 1 Au < ci trebuie întrunite şi condiţiile:
• Ri foarte mare faţă de Rgen • Ro foarte mică faţă de RL
Iar aceste condiţii sunt satisfăcute de TB – CCom.
Calcul pe schema generală de c.a. a „TB cu sarcină distribuită” ( - în Emitor şi Colector )
Vi Ii = Ib
Ube
RE
RC
Vo 2 = Vc
Vo 1 = Ve
De exemplu, după pasivizarea ( în c.a. ) a bateriei de alimentare în c. c.
Oricare ar fi poziţia tranzistorului, se desenează elementele schemei de c.a. rotite corespunzător între
( B ) şi ( E )
( C ) şi ( E )
În cazul de faţă cu rce finit ( schema generală ) echivalăm Thevenin poarta ( C ) − ( E )
( B ) ( C )
( E )
Ube rbe
rce
µ·Ube
RE
RC Vo 1
Vo 2
( Se „rabate” către masă )
Exprimare în funcţie de mărimea de comandă Ube.
bei1 o U V V −=
ce C
Cbe
1 o
bei2 or R
RUµ
V
U V V+
⋅
⋅−−=43421
T. I K. în emitor :
( ) ( )Cce
c
beiEbei
b
bebeRr
1
V
U 1µ V G U V
I
Ug +
⋅
⋅+−+⋅−=⋅
444 3444 2143421
ECce
ECce
be
bei
GRr
1
GRr
1µg
U V+
+
++
++
⋅=
bei1 o U V V −= → E
Ccebe
Ccebe
i
be1u
i
1 o
GRr
1µg
Rr
µg
V
U 1 A
V
V
++
++
++
=−== → ( ştiind că rce → ∞ şi mce gr µ ⋅= ) →
→ Embe
mbe
Ggg
gg
++
+ → (ştiind că gm → ∞ ) → 1
Repetarea (pe emitor) al potenţialului din bază.
ceC
Cbe
e
1 o2 orR
R Uµ
V
V V+
⋅
⋅−=321
++
++
⋅−+
−+
+⋅
+=
++
++
++⋅
+⋅−⋅
+==
ECce
be
ECceCce
be
ceC
C
ECce
be
ECce
cec
c1u
ceC
C
i
2 o2u
GRr1µ
g
Gµ Rrµ
Rrµ
g
rR
R
GRr1µ
g
GRr
1
rR
Rµ A
rR
R
V
V A →
( pt. rce → ∞ ) → Ebem
EmC
Ggg
GgR
++
⋅⋅− → ( ştiind că gm → ∞ ) →
E
C
R
R−
Au 2 ≈ −1 Dacă sarcina e egal distribuită (RC = RE): Au 1 ≈ +1 (Utilizare tipică: tranzistor distribuitor de impulsuri de sincronizare în TV).
Aproximări de curent alternativ
i be1 o V V V V =≈= → 1 A 1u +≈
Vi
Ic
RE
RC
( Ic ≈ ) Ie ≈ Ge·Vi
masă de c.a.
≈ Vi
coboară de la masa de c.a.
i
2u
Ecc2 o V
A
GR V V ⋅
≈
⋅−≈=43421
Aproximările de tensiune şi curent alternativ pentru TB cuasi-ideale ( „ bine polarizate ” )
Ic
( Vb ≈ ) Ve
Ib ≈ 0
Ie ( ≈ Ic )
VE ≈ VB – 0.6 V pentru NPN
IB ≈ 0
IC ≈ IE
VE ≈ VB + 0.6 V pentru PNP
În curent continuu În curent alternativ
IB este neglijabil doar dacă nu parcurge o rezistenţă RB mult mai nare decât celelalte rezistenţe din circuit, caz în care poate fi nedeterminarea
BB I 0
R ⋅∞ .
Aproximările de tensiune şi curent (alternativ) pentru TB cuasi-ideale („bine polarizate”)
Ic
( Vb ≈ ) Ve
Ib ≈ 0
Ie ( ≈ Ic )
VE ≈ VB – 0.6 V pentru NPN
IB ≈ 0
IC ≈ IE
VE ≈ VB + 0.6 V pentru PNP
În curent continuu În curent alternativ
IB este neglijabil doar dacă nu parcurge o rezistenţă RB mult mai nare decât celelalte rezistenţe din circuit, caz în care poate fi nedeterminarea
BB I 0
R ⋅∞ .
Exemplu de aplicare a aproximărilor pt. o schema cu TB în curent alternativ
Vi ≈ Vi
C∞
R1
R2
R3
R4 R7
R6
R5
≈ Vi
Vo
T1 T2
T3 T4
E1
E2
Înainte se face un calcul aproximativ direct ( cu avantajul că nu necesită identificarea funcţiilor de subcircuite ):
- Bateriile E1, E2 sunt scurtcircuit în schema de curent alternativ, aşadar bara superioară şi cea inferioară de alimentare sunt la masă în curent alternativ.
- T4 are două din cele 3 borne la masa de curent alternativ chiar dacă ar avea o intrare de curent alternativ prin emitor, n-ar avea ieşire. De fapt rolul T4 e doar de a aduce potenţialul alternativ 0 din bază în emitor. Aici se reprezinta simbolic "masa virtuală" (cu acelaşi potenţial cu masa dar fără contact direct ("galvanic") cu aceasta).
- T3 este practic Emitor Comun ( emitorul la masa virtuală ) - T2 este Bază Comună ( întoarce semnalul de la ieşire prin R5 către emitorul T1, vom arăta la DCE2 că T2 face parte
dintr-un diport activ de Reacţie Negativă iar T1 e scăzător de potenţiale: bee
i
b Ureactia""
V - V
V = amplificat
transadmitanţă cu factorul gm către ieşirea Ic1. - T1 are, de fapt, 2 intrări de semnal alternativ (una directă în bază şi cealaltă ca reacţie în emitor) şi o ieşire, prin
colector (dată fiind unilateralitatea , colectorul nu poate fi deobicei intrare). - T3 aduce masa virtuala si la borna inferioara R3. B. sup. R3 e deja la masa de c.a. de te. alt. U R3 ≈ 0. E esentiala
trecerea de la te. 0 pe o rez. nenula (aici R3) la un cu. 0 (si, dual, de la un cu. 0 printr-o rez. finita la o te. 0). Deci c.a. I R3 ≈ 0 deci c.a. I T1 ≈ 0 deci c.a. I R4 ≈ G4 . Vi e preluat de T2 !!!
Aproximarea de tensiune pentru T2 aduce masa virtuală şi la borna inferioară (stângă) R5.
Aşadar c.a. G4·Vi coboară de la ieşire, prin R5 , la masa virtuală, deci i
u
4 5o V
A
G R V ⋅
≈
⋅−=43421
Practic pentru fiecare TB s-au făcut pe rând aproximări de tensiune şi de curent alternativ (la T4 nu a fost necesară aproximarea de curent şi nici la T3).