bjt

P2-Init Oct 29, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

1

สารบัญ

Period 2 Review/Transistor operation Period 3 Ebers-Moll Model (Level 1)Period 4 BJT Characteristics (Level 1)Period 5 Piecewise Model (Level 2)Period 6 CCT analysis using L2 model

Oct 29-Nov 07, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

2

Period 2 >>Overview

Electronic Circuit Basic FunctionsElectronic Circuit ComponentsFundamental of LTI DC Circuit AnalysisElectronic components modelBJT Structure and SymbolBJT operation


3

Electronic Circuit Basic FunctionsFunctions=> Signal Processing

AmplificationFilteringSignal generationVoltage and current controlWave shaping


4


5

อุปกรณในวงจรอเิลก็ทรอนิกส

อุปกรณเฉื่อยงาน

ตัวนําหรือตวัตานทาน (Conductor or Resistors) R , NTC ,

PTC

ตัวเกบ็ประจุ (Capacitors) Electrolytic Capacitor

ตัวเกบ็เหนีย่วนํา (Inductors) ac-L , dc-L , LF-L ,HF-L

หมอแปลง (Transformers) LF Transformers , HF

Transformers

ไดโอด (Diodes) PN Junction , Schottky diode , PIN diode


6


อุปกรณไวงาน

ทรานซิสเตอร(Transistors) => BJT , FET , IGBT ,Phototransistor

ไทรีสเตอร (Thyristors) Triac , SCR

อุปกรณจุดชนวน (Triggering devices)


7

อุปกรณในวงจรอิเล็กทรอนิกส แหลง (Source)

แหลงจายไฟฟา (Electrical source)

Transducer/Sensors

แหลงแรงดนั (Voltage source)

แหลงกระแส (Current source)

แหลงจายไฟตรง (DC source)

แหลงจายไฟสลับ (AC source)


8


โหลด(Load)

อุปกรณเฉื่อยงาน

วงจรอิเล็กทรอนิกส

โหลดอุปกรณสารกึ่งตัวนํา ลําโพง

มอเตอร

อุปกรณสองสวาง


9


10

ตัวอยางวงจร

โจทย

• เมื่อ R2 = 5 Ω , 20 Ω

• คํานวณหา I1 ,I2, V1, V2

GraphIn-Out


11

การแกสมการโดยวิธีพีชคณิต

1 21 2

1 230 2

10 5

DCVI IR R

VI I A

= =+

= = =Ω+ Ω

1 2 1 2 : :3 4 KKVL V V I ICL→= =→

1 1 1 2 2 2 1 2 DCV V R I V I R I R= − = = × = ×i

1 2 2 2 2 5 10 V V I R A V= = × = × Ω =

2 2 21 ;Load character Rt c Vs i Ii = ×→

1 1 1 2 ; DCSource characterist V V Rc Ii = −⇒ i


12

เมื่อตัวแปรตนเปนแรงดัน

2 1 1 2 , : 4 :3 KI IK LCL VV V= =→→

2 1 122 1 11 1

211 1( ) (( ))D DC CVI I V VV V

RR RR R= −= = = −i ii

2 22

1 ; 1 ( )Load characteristic I VR

=⇒ i

1 11 1

1 2 ; ( )DCSource characteristic VI VR R

=⇒ − i

Graph


13

เมื่อตัวแปรตนเปนแรงดัน

2 21 2

2

1 1 2

( )1 1 DCDCV VV R

R R RV

R R⎡ ⎤

+ = =⎢ ⎥⎣

⇒ ×+⎦

i

[ ]2 22 1 2

11 ( )= DCVI VR R

IR

= =+

i


14

การวิเคราะหวงจร

•แบบจาํลองของอปุกรณในวงจร •กฏของวงจร


15

แกสมการโดยกราฟ

1 11 1

1; ( )DCVSource characteristic I VR R

= − i

2 22

1 ; ( )Load characteristic I VR

= i

Circuit


16

วงจรทรานซิสเตอร

วงจรที่ใชตัวตานทาน


17

การวิเคราะหวงจรที่มีอุปกรณไมเชิงเสน

•การใชกราฟ•การแกสมการพชีคณิต•ใชแบบจาํลองเชิงเสนเฉพาะยาน


18

การวิเคราะหวงจรโดย


19

วงจรดานเขา วงจรดานออก


20

การวิเคราะหวงจรโดย

การแกสมการ


21

การคํานวณโดยการคํานวณซ้ํา

1 0.6 1.75( ) 34.8533 33

BBBX BEX

B B

V V VI V AR R k k

μ= − + = − + =Ω Ω

i(1 )ln

(1 )B F ES

BE TF ES

I IV VI

αηα

⎡ ⎤+ −= × ⎢ ⎥−⎣ ⎦

iii

1: ( ) BBB BE

B B

VLoad I VR R

= − +i : (1 ) [ ( ) 1]BEB F ES

T

VDiode I I ExpV

αη

= − − −i

CCT


22

ใชวงจรสมมูลเฉพาะยานของ BJT


23

การวิเคราะหโดยใชวงจรเชงิเสนแบบทอน


24

เปรียบเทียบวธิีวิเคราะหวงจรใชกราฟ

IB = 30 μA , VBE = 0.76 V , IC = 3.19 mA และ VCE = 5.6 V

การคํานวณโดยการทําซ้ําที่มีการเริ่มตนอยางเหมาสม IB = 30.14 μA VBE = 0.755 V

ใชแบบจําลองเชิงเสนแบบทอน

IB = 30 μA VBE =0.76 V IC = 3.17 mA และVCE = 5.67 V

ตามลาํดับ


25

แบบจําลองของอุปกรณ

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส


26

แบบจําลองรูปแบบ

สมการ กราฟ วงจรสมมูล

(สัญลักษณ)

ชนิด

แบบจําลองทั่วไป แบบจําลองประมาณ แบบจําลองประมาณ เฉพาะยาน


27

ตัวตานทาน (Resistor)

แรงดัน( )

กระแส( )

i f v

v R i= ×


28

ตัวเก็บประจ(ุCapacitor)

i

v

v Ci C Vt t∂ ∂

= +∂ ∂


29

ตัวเหนี่ยวนํา(Inductor)

i

Lv

แรงดัน( )

กระแส( )

i Lv L It t∂ ∂

= +∂ ∂


30

อุปกรณ วงจรสมมูลไฟตรง วงจรสมมูลไฟสลับ

V

V V

V V

I

I

I

I

I


31

อุปกรณ วงจรสมมูลไฟตรง วงจรสมมูลไฟสลับ

RF

VF RF

RF

VF

RZ

VZ

RF

RZ

R

R

R C

R

C

LR

R

L

CL

C

L

C

L

R C

R

C

LR

R

L

CL


32

• บทนํา

• โครงสราง

• สัญลักษณ

• แบบจําลองจากการวัด/ทดลอง กราฟลักษณะสมบัติ• แบบจําลอง Ebers-Moll วงจรสมมูล

• แบบจําลอง Ebers-Moll สมการ

• แบบจําลอง เฉพาะยาน

Transistor


33

Amplifier Circuit


34

CE Transistor Characteristics


35

คณุสมบัติ BJT

•ไมเปนเชิงเสน(Nonlinear)

• เปลี่ยนแปลงตามเวลา

(Time varying)


36

การจําลอง

ทรานซิสเตอร

Transistor Modeling


37

เปาหมาย

การจําลองทรานซิสเตอร

Transistor Modeling


38

คณุสมบัติแบบจําลอง

•เปนแบบจําลองเชงิเสน(Linear model)

•ไมเปลี่ยนแปลงตามเวลา (Time invariant)


39

การทาํใหเปนเชิงเสน

ใชแบบจําลองเชงิเสนเฉพาะยาน

Piecewise Linear Model


40

แบบจําลองเชิงเสนเฉพาะยาน

1. ยานไวงาน(active region)

2. ยานอิ่มตัว(saturation)

3. ยานคัตออพ(cutoff)


41

แบบจําลองในยานไวงาน


42

โครงสราง


43

สัญลักษณ


44

Transistor Structure


45

Common base configuration


46

BJT


47

Transistor Operation

ชั้นเบสมีความหนามากกวา

ระยะทางการแพรซึมของพาหะขางนอย


48


ชัน้เบสมีความหนา นอย กวา

ระยะทางการแพรซึมของพาหะขางนอย


49

Transistor Operation 1


50



51



52



53



54



55

BJT performance parameters

hE

hE eE

I Emitter injection efficiencyI I

γ = =+

hE hE

hE eE E

I I Current due to holesI I I Emitter current

γ = = =+

hC

hE

I Base transport factorI

χ = =

F Current transfer ratioα γ χ= × =

P2-END Oct 29, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

56

Structure of Planar Transistor

P3-Init Oct 31, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

57

Period 3 >> Ebers-Moll model

Ebers-Moll RepresentationCoupling diode representationEbers- Moll EquationsSign convention VED, VCD, IED and ICD

Unified modelLevel 1 Model General Model


58

แบบจําลองของ BJT

• ระดับ 1 แบบจําลองทั่วไป => Gm

• ระดับ 1 แบบจําลองทั่วไป => Ai

• ระดับ 2 แบบจําลองเฉพาะยาน

• ระดับ 3 แบบจําลองเชิงเสนเฉพาะยาน


59

แบบจาํลองทั่วไปของ BJT

ไมกําหนดรูปแบบการตอ BJT

ไมกําหนดยานการทํางานของ BJT

ใช “ แรงดนั ” ดานเขาเปนตัวแปรควบคมุ

แบบจําลองระดับ 1

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i


60

Transistor Model

Ebers-Moll Representation


61

PNP - Transistor Modelwithout diode coupling


62

pn Junction current components

ID

A C

dc

IGh

IGe

IFe

IFh

Ee

Eh

Depletion Region


63

Pn

JunctIon

current

components

Gh

Ge

Fe

Fh

e

h

[exp( ) 1]DD S

T

VI IVη

= −


64

PNP Transistor Current Equations

[exp( ) 1]EDED ES

T

VI IVη

= −

[exp( ) 1]CDCD CS

T

VI IVη

= −

Diode Current Equations

VED , VCD คือแรงดัน

ไบแอสตาม ของหัวตอ

VED = VEB

VCD = VCB

N


65

PNP Transistor Current Equations

[exp( ) 1]EDED ES

T

VI IVη

= −

[exp( ) 1]CDCD CS

T

VI IVη

= −

IES , ICS มีเครื่องหมายเดียวกับ IE , IC

เมื่อหัวตอ ไบแอสตาม-------------------------------------------------------

IES , ICS คือ -IED , -ICD

เมื่อหัวตอ ไบแอสยอนIES > 0

ICS > 0

N


66

• IES และ ICS มีเครื่องหมายเดียวกับกระแส IE และ IC เมื่อหัวตอถูกไบแอสตาม เปนบวก สําหรับ pnp เปนลบ สําหรับ npn

• IED และ ICD มีเครื่องหมายเดียวกับกระแส IE และ IC : เปนบวก สําหรับ pnp

เปนลบ สําหรับ npn

• VEBหรือVBEและVCB หรือVBCเปนแรงดันไบแอสตามของหัวตอ pn

* VEB/VBEและVCB /VBC มคีาเปนบวกเมื่อหัวตอถูกไบแอสตาม และ* VEB/VBEและVCB /VBC มคีาเปนลบเมื่อหัวตอถูกไบแอสยอน

αF*IEDαR*ICD

IED ICD

IBVBE VBCC

B

E

ICIE


67

NPN Transistor Current Equations

[exp( ) 1]EDED ES

T

VI IVη

= −

[exp( ) 1]CDCD CS

T

VI IVη

= −

Diode Current Equations

VED , VCD คือแรงดัน

ไบแอสตาม ของหัวตอ

VED = VBE

VCD = VBC

P


68

NPN Transistor Current Equations

[exp( ) 1]EDED ES

T

VI IVη

= −

[exp( ) 1]CDCD CS

T

VI IVη

= −

IES , ICS มีเครือ่งหมายเดียวกับ IE , IC

เมื่อหัวตอ ไบแอสตาม-----------------------------------------------------

IES , ICS คือ -IED , -ICD

เมื่อหัวตอ ไบแอสยอนIES < 0

ICS < 0

P


69

นิยามของตัวแปร

• IES มีทิศทางเดียวกับ IE เมื่อหัวตออิมิตเตอร-เบส ถูกไบแอสตาม• IES คือ -IED , เมื่อหัวตออิมิตเตอร-เบสถูก ไบแอสยอน• VED คือแรงดันไบแอสตามของหัวตออิมิตเตอร-เบส • ICS มีทิศทางเดียวกับ IC เมื่อหัวตอคอลเลกเตอร-เบส ถูกไบแอสตาม• ICS คือ -ICD , เมื่อหัวตอคอลเลกเตอร-เบสถูก ไบแอสยอน• VCD คือแรงดันไบแอสตามของหัวตอคอลเลกเตอร-เบส• η = 1=> 2 เปนสัมประสิทธิ์ที่ขึ้นกับความหนาแนนของกระแส• VT คือแรงดันสมมูลของอุณหภูมิ


70

การคํานวณ VT

23

19

1.380 10 300 25.84 26 1.602 10TV mV mV

−

−

× •= = ≅

×

eT k lvink TVq×=

23Boltzmann Constant 1.380 10 JoulekKelvin

−= = ×

27 300o ot C T K= ⇒ =

19Elementary charge 1.602 10 q Coulomb−= = ×


71

Ebers-Moll Model

PNP Transistor


72

PNP-Transistor Modelwith coupling diodes


73

PNP-Transistor Current Equations

Emitter Current Equations

E ED R CDI I Iα= − i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

N


74


Collector Current Equations

C F ED CDI I Iα= − +i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

N


75


Base Current Equations

B E CI I I= − −

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]CBEBB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

N


76

PNP-Ebers-Moll Representation

กระแส ที่ขั้วทั้ง 3 เปนฟงกชันของ แรงดันที่หัวตอทั้ง ดานเขา และ ดานออก

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]CBEBB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

N

L 1 >> L 1M


77

Ebers-Moll Model

NPN Transistor


78

Transistor Current Equations NPN

เพื่อใหสมการ KCL เหมือนกับกรณี

pnp นยิามกระแส IED เหมือน pnp

ไดสมการ

Emitter Current Equations

E ED R CDI I Iα= − i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

P


79


เพื่อใหสมการ KCL เหมือนกับกรณี

pnp นยิามกระแส IED เหมือน pnp

ไดสมการ

Collector Current Equations

C F ED CDI I Iα= − +i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

P


80


Base Current Equations

B E CI I I= − −

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

P


81

NPN -Ebers-Moll Representation

กระแส ที่ขั้วทั้ง 3 เปนฟงกชันของ แรงดันที่หัวตอทั้ง ดานเขา และ ดานออก[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBE

E ES R CST T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

P

L 1 >> L 1M


82

Reciprocity Condition

F ES R CSI Iα α= ii0.98 0.998Fα≤ ≤

0.4 0.8Rα≤ ≤15 10 10 10ES CSI and I Ampere− −≈ →


83

Ebers-Moll Representation

ตัวแปรควบคุมดานเขามีตัวแปรเดียว คือ แรงดันที่หัวตออิมิตเตอร-เบสOutputCharacteristic => IC VS. VCB หรือ IC VS. VCE

กระแสดานออกเปน Exponential Function ของแรงดันดานเขาความสัมพันธระหวางตัวแปรตามที่ถูกควบคมุ กับ ตัวแปรตนที่ใช

ควบคมุ “ ไมเปนเชิงเสน ”

การวิเคราะหวงจรทาํไดยาก ?????


84

การใช Ebers-Moll equations วิเคราะหวงจรไฟตรง

CC C C CEV I R V= +

CE CB BEV V V= +

BB B B BEV I R V= +

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

(1 ) [ ( ) 1]

(1 ) [ ( ) 1]

BEB F ES

T

BCR CS

T

VI I ExpV

VI ExpV

αη

αη

= − − −

− − −

i

i

L 1ML 1

L 2

ICEO

ICO

Para


85

Period 4 >> Review- 2

Level 1 Model Current control; General ModelCommon Base I/P O/P CharacteristicsCommon Emitter I/P O/P Characteristics การวิเคราะหวงจรโดยใช แบบจําลอง Level 1การวิเคราะหโดยวิธีกราฟ

• Bias equation and Bias line• Load equation and Load line• Graphical solution


86

แบบจาํลองทั่วไปของ BJT

มีการกําหนดตวัแปรควบคมุ/รูปแบบการตอ BJT

ใช “ กระแส ” ดานเขาเปนตัวแปรควบคมุ

ไมกําหนดยานการทํางานของ BJT

แบบจําลองระดับ 1M[ ( ) 1]CB

C COFT

EVI I ExpCB IVη

α>>> = − − −i i

[ ( ) 1]CEOF BBC

CT

VI ExCE I I pVη

β>>> = − −i i

L 1M >> L 1


87

รูปแบบการตอ BJT


88

PNP Transistor ตอแบบ เบสรวม


89

การคาํนวณหา

สมการลกัษณะสมบัติ

และ

กราฟลักษณะสมบัติ


90

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

สมการลักษณะสมบัติดานเขา (pnp) 2 > Level 1


91

กราฟ CB Input Characteristics

VEB vs. IE IE vs. VEB


92

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

กราฟลักษณะสมบัติดานเขา (pnp)

การเปลี่ยนแปลงI-V characteristic

กับ VCBไมไดเปนผลของ

[ ( ) 1]CBECJ R CS

T

VI I ExpV

αη

= − −i

แตเปนผลของ Early effect

เนื่องจาก VCB มีผลตอ carrier concentration profile


93

กระแสควบคุม IE แปรตาม

แรงดันดานเขา VEB และ

แรงดันปอนกลับจากดานออก VCB แบบ Exponential


94

ลกัษณะสมบัติดานออก (pnp)

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

คํานวณหาสมการของกระแส IC ที่ม ีIE เปนตัวแปรควบคุม

1M > Level 1


95

จากสมการ Ebers-Moll (pnp)

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

กําจัด VEB โดยคํานวณ C F EI Iα+ i

(1 ) [ ( ) 1]CBC F E F R CS

T

VI I I ExpV

α α αη

= − + − −i i

ได

N

1M > Level 1


96

กําหนดให

กระแสดานออก IC แปรผันตรงกับกระแสควบคุม IE

และแปรตามแรงดันดานออก VCB แบบ Exponential

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i ได

-15COI

(1 0 for p p Transist

- 10 femtoA (one quadrillionth Ampere

)

=10 )

n or0F R CS CSCOI I Iα α

≈

= − − ⟩⟨ ⇐i ∵

N


97

Common-base output characteristics (pnp)

Input current IE

Output current IC

1CF

E

Current gainII

α = <

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i


98

ความหมายของ

F COand Iα


99

จากสมการลักษณะสมบัติดานออก

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i

0C

FCBE

IVI

α = −=

- ลัดวงจรหัวตอคอลเลกเตอร-เบส ทําให VCB = 0

- คํานวณคา αF ได

αF = common-base forward short-circuit current gain

CE


100


[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i

00

EC CO

CB

II I

V=

=

- เปดวงจรอมิติเตอร ทําให IE = 0

- ไบแอสยอนหัวตอคอลเลกเตอร-เบส ได

ICO = reverse collector current

CE


101

ขอสรุปเกีย่วกับเครื่องหมายของ ICO

• ICO มีเครื่องหมายตรงกันขามกับ ICS

• ICO เปนลบสําหรบั BJT แบบ PNP (เมื่อไบแอส ยอนหวัตอ CB กระแส IC จะเปน ลบ )

• ICO เปนบวกสําหรับ BJT แบบNPN(เมื่อไบแอส ยอนหวัตอ CB กระแส IC จะเปน บวก )


102


R EOand Iα


103


เมื่อทรานซิสเตอรทํางานในภาคกลับ

[ ( ) 1]EBE R C EO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i

0E

REBC

IVI

α = −=

- ลัดวงจรหัวตออิมติเตอร-เบส ทําให VEB = 0

- คํานวณคา αR ได

αR = common-base reverse short-circuit current gain

CE

P3-END Oct 31, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

104


[ ( ) 1]EBE R C EO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i

00

CE EO

EB

II I

V=

=

- เปดวงจรคอลเลกเตอรทําให IC = 0

- ไบแอสยอนหัวตออิมติเตอร-เบส ได

IEO = reverse emitter current

CE


105

BJT Parameters15

1414

14

10 10 A = 10 femtoAmpere = 10 fA

= 0.98 , = 0.4 0

( 10 ) 1.65 10 16.5 fA(1 ) (1 0.98 0.4)

0.4 1

0

.645 10 6.710.98

CO

CF

CBE

COCS

F R

ER

E

S

C

RE

F

B

CS

I

IVI

II A

I

II

I

Vα

α α

αα

α

−

−−

−

= ×

= −=

− − −= = = × =

− − ×

× ×= = = ×

= −=

i 1510 6.71 fAA− =

P4-Init Nov 03, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

106

ตอแบบอิมิตเตอรรวม (npn)


107

Transistor Characteristic

( I-V Equations )


108

สมการลักษณะสมบัติดานเขา (npn)

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

2 > Level 1


109

กราฟลักษณะสมบัติดานเขา (npn)

การเปลี่ยนแปลงI-V characteristic

กับ VBCไมไดเปนผลของ

แตเปนผลของ Early effect

เนื่องจาก VBC มีผลตอ carrier concentration profile

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1] 0 0BCBEB F ES R CS ES

T T

VVI I Exp I Exp IV V

α αη η

= − − − − − − ⟩ ⇐ <i i ∵

(1 ) [ ( ) 1]BCR CS

T

VI ExpV

αη

− −i


110

กระแสควบคุม IB แปรตาม

แรงดันดานเขา VBE และแรงดัน

ปอนกลับจากดานออก VBC แบบ Exponential


111

ลกัษณะสมบัติดานออก (npn)

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

คํานวณหาสมการของกระแส IC ที่ม ีIE เปนตัวแปรควบคุม


112

จากสมการ Ebers-Moll (npn)

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

กําจัด VBE โดยคํานวณ C F EI Iα+ i

(1 ) [ ( ) 1]BCC F E F R CS

T

VI I I ExpV

α α αη

= − + − −i i

ได

[ ( ) 1] [ ( ) 1]BCBEC F ES CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − + −i

P

L 1M >> L 1


113


[ ( ) 1]BCC F E

TCO

VI I ExpV

Iαη

= − − −i i ได

(1 ) 0 for p n Transis or0 n tF R CS CSCO I II α α= − − ⇐ ⟨⟩i ∵

แทนคา และจัดรูปสมการได ( )E C BI I I= − +

(1[ (

)) 1]

(1)CO

F

F CB

TF

BC

VI I ExpV

Iααα η−

= −−

−i i

P


114


กระแสดานออก IC แปรผันตรงกับกระแสควบคุม IB

และแปรตามแรงดันดานออก VBC แบบ Exponential

[ ( ) 1]BCCEF

TB OC

VI ExpV

I Iβη

= − −i i

และ (1 )

FF

F

αβα

=−

(1 )(1 )

CO FCEO CO F CO

F F

II I Iβ βα α

= = = +−

i ได


115

Common emitter output characteristics

1CF

B

Current gainII

β =

Input current = IB

Output current = IC

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i


116


F CEOand Iβ


117

จากสมการลักษณะสมบัติดานออก (npn)

0C

FBCB

IVI

β ==

- ลัดวงจรหัวตอคอลเลกเตอร-เบส ทําให VBC = 0

- คํานวณคา βF ได

βF = common-Emitter forward short-circuit current gain

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i

CB


118


00

BC CEO

BC

II I

V=

=

- เปดวงจรเบส ทําให IB = 0

- ไบแอสยอนหัวตอเบส-คอลเลกเตอร ได VBC << 0

ICEO = common emitter cutoff current

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i

CB


119


R EBOand Iβ


120



[ ( ) 1]BEE R B EBO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i

0E

RBEB

IVI

β ==

- ลัดวงจรหัวตออิมติเตอร-เบส ทําให VBE = 0

- คํานวณคา βR ได

βR = common-(collector/emitter) reverse short-circuit current

gain

CB


121



00

BE ECO

BE

II I

V=

=

- เปดวงจรเบส ทําให IB = 0

- ไบแอสยอนหัวตอเบส-อมิติเตอร ได

IECO = common (collector/emitter) cutoff current

[ ( ) 1]BEE R B EBO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i

CB


122

สรุป >> เปลี่ยนตัวแปรควบคุมดานเขาเปนกระแส

@ ตัวแปรควบคุม ขึ้นกับการตอวงจร

@ ตอแบบ เบสรวม ตัวแปรควบคุมคือ กระแสอิมติเตอร IE

OutputCharacteristic => IC VS. VCB

@ ตอแบบ อิมติเตอรรวม ตัวแปรควบคุมคือกระแสเบส IB

OutputCharacteristic => IC VS. VCE

@ ความสัมพนัธระหวาง ตัวแปรตามที่ถูกควบคุม กับ ตัวแปรตนที่

ใชควบคุม “ เปนเชิงเสน ”


123

การใช แบบจําลองระดับ 1M วิเคราะหวงจรไฟตรง

CC C C CEV I R V= +

CE CB BEV V V= +

BB B B BEV I R V= +

[ ( ) 1]BCCEF

TB OC

VI ExpV

I Iβη

= − −i i

(1 ) [ ( ) 1]

(1 ) [ ( ) 1]

BEB F ES

T

BCR CS

T

VI I ExpV

VI ExpV

αη

αη

= − − −

− − −

i

i

L 1ML 1

L 2

ICEO

ICO

Para


124

การวิเคราะหวงจรโดยกราฟ

1 1

1( )

;

BB

B B

Bias circuit equationVI V

R R= − +i

(1 ) [ ( ) 1]

(1 ) [ ( ]

;

) 1

BEB F ES

T

BCR CS

T

VBase circuit equati

I I ExpV

VI ExpV

on

αη

αη

= − − −

− − −

i

i

[ (

;

) 1]BCC F B CEO

T

VI

Collector circuit equ

I I Ex

n

pV

atio

βη

= − −i i

2 2

1

;

( )

CC

C C

Load circuit equatioVI V

R R

n

= − +i

ICEO

ICO

Graph Sol

Para


125

การเขียนเสนโหลด


126



127



128



129



130


ICEO

ICO

Para


131

Period 5 >> Review- 2• Level 2 Model Quasi-Piecewise-Linear Model

• Common base• Active region• Saturation region• Cutoff region

• Common emitter• Active region• Saturation region• Cutoff region

Graph


132

แบบจําลองของ BJT ขึ้นกับยานการทํางานทําใหสามารถประมาณคาได


: C F B CEO F BCE I I I Iβ β≅ + ≈i i

: [ ( ) 1]CBC F E CO F E

T

VCB I I I Exp IV

α αη

= − − − ≅ −i i i

หาก BJT ทํางานในยานไวงาน ได Graph


133

แบบจาํลองเฉพาะยานของ BJT

กําหนดรูปแบบการตอ BJT

กําหนดยานการทํางานของ BJT

ใช “ กระแส ” ดานเขาเปนตัวแปรควบคุม

มีการประมาณ



134

รูปแบบการตอ BJT

Graph

Pass-Nov 03, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

135

PNP Transistor ตอแบบ เบสรวม


136

แบบจําลองเฉพาะยาน CB

ยานไวงาน(active region)

ยานอิ่มตัว (Saturation region)

ยานคัตออพ (Cutoff region)

Graph

CBM2A

CBM2S

CBM2C


137



หัวตอ E-B ไบแอสตาม

หัวตอ C-B ไบแอสยอน


138

ลกัษณะสมบัติดานเขา

ใช

“ แรงดันดานเขา” ควบคุม “ กระแสดานเขา”


139

CB-PNP-Transistor I-V Equations

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

( ) 0CB

T

VExpVη

⇒

จากสมการลักษณะสมบัติดานเขา

1.ไบแอสตามหัวตออิมิตเตอร

2. ไบแอสยอนหัวตอคอลเลกเตอร

0 ; , 0CBCB CB T

T

VV V VV

ηη

< >>


140

0 , 1EBEB T

T

VV VV

ηη

>

[ ( ) 1] 0EBE ES

T

VI I ExpVη

≅ − >

[ ( ) 1]EBE ES R CS

T

VI I Exp IV

αη

= − + i

CB-ลักษณะสมบัติดานเขา PNP

[ ( ) 1] [0 1]EBE ES R CS

T

VI I Exp IV

αη

= − − −i

[ ( ) 1] 0 0 TransistorEBES ES

TE

VI Exp I for nI p pVη

≅ − >⟩ ∵

iE vs VEB


141

ลกัษณะสมบัติดานออก

ใช

“ กระแสดานเขา” ควบคุม “ กระแสดานออก”


142


( ) 0CB

T

VExpVη

⇒

จากลักษณะสมบัติดานออก ของแบบจําลองระดับ 1M

0 ; , 0CBCB CB T

T

VV V VV

ηη

< >>

เมื่อไบแอสยอนหัวตอคอลเลกเตอร

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i iiC vs VCB


143


PNP Transistor ตอแบบเบสรวม

ทํางานในยาน ไวงาน

[ ( ) 1] 0EBE ES

T

VI I ExpVη

≅ − > C F E COI I Iα≅ − +i

CE


144


ยานอิ่มตัว(Saturation region)

หัวตอ E-B ไบแอสตาม

หัวตอ C-B ไบแอสตาม


145


ใช



146


[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i



2. ไบแอสตามหัวตอคอลเลกเตอร

3. ไมสามารถประมาณสมการได


147


ใช



148



ไมสามารถประมาณสมการได

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i


149



ทํางานในยาน อิ่มตัว

[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i [ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i

CE


150


ยานคัตออพ(cutoff region)

หัวตอ E-B ไบแอสยอน

หัวตอ C-B ไบแอสยอน


151


ใช



152


[ ( ) 1] [ ( ) 1]CBEBE ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

αη η

= − − −i

( ) 0EB

T

VExpVη

⇒

, 0 ; , ; and 0CBEBEB CB EB CB T

T T

VVV V V V VV V

ηη η

< >>


1.ไบแอสยอนหัวตออิมิตเตอร

2. ไบแอสยอนหัวตอคอลเล็กเตอร

( ) 0CB

T

VExpVη

⇒


153

(1 ) 0 ; as 1E F ES FI Iα α− − ⇒i

(1 ) 0 0E F ESI I andα≅ − − < ⇒i

) (E ES R CS ES F ESI reciprocitI y condit nI I ioIα α− + − +i i

ลักษณะสมบัติดานเขา PNP

[0 1] [0 1]E ES R CSI I Iα= − − −i

(1 ) 0 Transisto r0F ES ESE I I fI npo prα≅ − − ⟨ >i ∵


154


ใช



155


( ) 0CB

T

VExpVη

⇒

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i

ลักษณะสมบัติดานออก PNP

ของแบบจําลองระดับ 1M

, 0 ; , ; and 0CBEBEB CB EB CB T

T T

VVV V V V VV V

ηη η

< >>

เมื่อไบแอสยอนทั้ง 2 หวัตอ


156

ลักษณะสมบัติดานออก PNP

[ ( ) 1]CBC F E CO

T

VI I I ExpV

αη

= − − −i i

(1 )(1 )) (1

F RF ES

ES CS CS CS CS

C F

F R R

CSII I I

II I

I αα

αα

ααα

− −= = = − −= −

− −i

i

C F E COI I Iα= − +i(

)1 )

(1 ;E F ES

C F R CSO

I III

αα α= − −

= − −

i

(1 0 ) 0C R CSII andα−= <− ⇒i

END P4-Nov 03, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

157



ทํางานในยาน คัตออพ

0 (1 ) 0E F ESI Iα ⟨≅ ⇒− − i (1 ) 0 0C R CSI Iα= − − ⟨ ⇒i

CE

P5-Init Nov 05, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

158

ตอแบบอิมิตเตอรรวม (npn)

Input and Output Equations


159

แบบจําลองเชิงเสนเฉพาะยาน CE


ยานอิ่มตัว (Saturation region)

ยานคัตออพ (Cutoff region)

CEM2A

CEM2S

CEM2C


160



หัวตอ B-E ไบแอสตาม

หัวตอ B-C ไบแอสยอน


161


ใช



162

CE-NPN-Transistor I-V Equations


0 , 0 ; 0BCCB T BC

T

VV V VV

ηη

>> > <


( ) 0BC

T

VExpVη

⇒

2. ไบแอสยอนหัวตอคอลเล็กเตอร

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i


163

0 , 1BEBE T

T

VV VV

ηη

>

( ) [ ( ) 1] 0F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ − − >

(1 ) [ ( ) 1] (1 )BEB F ES R CS

T

VI I Exp IV

α αη

= − − − + − i

ลักษณะสมบัติดานเขา NPN

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [0 1]BEB F ES R CS

T

VI I Exp IV

α αη

= − − − − − −i

0(1 ) [ ( ) 1] 0 TransistorBEF ES ESB

T

I pVI Exp I for n nV

αη

≅ − − − <⟩ ∵

iB vs. vBE


164


ใช



165

ลักษณะสมบัติดานออก NPN

C F B CEOI I Iβ= +i

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i

0 , 0BCCB T

T

VV VV

ηη

> ( ) 0BC

T

VExpVη

⇒

iC vs. vCE


166


NPN Transistor ตอแบบอิมิตเตอรรวม


( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ − − C F B CEOI I Iβ≅ +i

CB

L1 ML1 M


167

แบบจําลองเฉพาะยาน CE

ยานอิ่มตัว(Saturation region)

หัวตอ B-E ไบแอสตาม

หัวตอ B-C ไบแอสตาม


168


ใช



169


(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i



2. ไบแอสตามหัวตอคอลเลกเตอร

3. ไมสามารถประมาณสมการได


170


ใช



171

CB-NPN-Transistor I-V Equations


ไมสามารถประมาณสมการได

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i


172


NPN Transistor ตอแบบเบสรวม

ทํางานในยาน อิ่มตัว

(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i [ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i

CB


173


ยานคัตออพ(cutoff region)

หัวตอ B-E ไบแอสยอน

หัวตอ B-C ไบแอสยอน


174


(1 ) [ ( ) 1] (1 ) [ ( ) 1]BCBEB F ES R CS

T T

VVI I Exp I ExpV V

α αη η

= − − − − − −i i

( ) 0BE

T

VExpVη

⇒

, 0 ; , ; and 0BCBEBE BC BE BC T

T T

VVV V V V VV V

ηη η

< >>


1.ไบแอสยอนหัวตออิมิตเตอร

2.ไบแอสยอนหัวตอคอลเล็กเตอร

( ) 0BC

T

VExpVη

⇒


175

(1 ) ; as 1B R CS FI Iα α− i

(1 ) 0 0R CB SI ndI aα≅ − < ⇒i

(1 ) (1 )B F ES R CSI I Iα α= − + −i i

ลักษณะสมบัติดานเขา NPN

(1 ) [0 1] (1 ) [0 1]B F ES R CSI I Iα α= − − − − − −i i

(1 ) 0 Transis o0 t rR CS CSBI I I for npnα≅ − <⟨i ∵


176


ใช



177


) 0( () BCBE

T T

andVExpV

VExpVη η

⇒

[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i


ของแบบจําลองระดับ 1M

, 0 ; , ; and 0BCBEBE BC BE BC T

T T

VVV V V V VV V

ηη η

< >>

เมื่อไบแอสยอนทั้ง 2 หวัตอ


178


[ ( ) 1]BCC F B CEO

T

VI I I ExpV

βη

= − −i i

(1 0 ) 0C R CSII andα−= − > ⇒i

C F B CEOI I Iβ= +i (1 ) (1 ) ;

(1 )

B F ES R C

COCEO

F

S

II

I I I

α

α α

=

− + −

−

= i i

[ ]( ) ( )

(1 (1) (1 ) )11

F F ES R F R CS

F

SC

C

F

I II Iα α α α α

αα− + −

−−

−= −

ii i


179



ทํางานในยาน คัตออพ

0 1 0( )B R CSI Iα≅ ⟨ ⇒− i (1 ) 0 0C R CSI Iα= − − ⟩ ⇒i

CB


180

การใช แบบจําลองระดับ 2 วิเคราะหวงจรไฟตรง

CC C C CEV I R V= +

CE CB BEV V V= +

BB B B BEV I R V= +

C F B CEOI I Iβ≅ +i

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ − −

NPN Transistor


L 1ML 1

L 2

ICEO

ICO

Para


181

Period 5 Cont >> Review- 2ตัวอยางการวิเคราะหวงจรโดยใช Level 2

Model Quasi-Piecewise-Linear Model

ใชแบบจําลองเฉพาะยาน

ใชวิธีทางกราฟ

ใชการคํานวณซ้ํา


182

ตัวอยางการวิเคราะหวงจร

ใชแบบจําลองระดับ2


183




( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ − − C F B CEOI I Iβ≅ +i

CB

L1 ML1 M


184

การวิเคราะหวงจรที่ใช BJT ดานไฟตรง

• วิธีการทางกราฟ

• วิธีการแกสมการอดิศัย (Transcendental Equation)

• ใชแบบจําลองเชิงเสนเฉพาะยาน


185

Transistor Circuit

L

BE

C

CE

B

CR

VBB

RB

VS

S


186

Input Circuit

BB

B

S


187

Output Circuit

L

C

CE

CR


188


• เขียนสมการลักษณะสมบัติของอุปกรณ (devices Characteristics)

• เขียนสมการของวงจร (circuit equations)

• แกสมการหาคาตัวแปรทีท่าํใหสมการทั้ง 2 ชุดเปนจริง


189

ใชแบบจําลองเฉพาะยานวิเคราะห Output Circuit


190

แทน BJT ดวยแบบจําลองเฉพาะยานไวงาน


191

สมการของ BJT จากแบบจําลองในยานไวงาน

C F B CEOI I Iβ= +i

: L CC R CKVL V V I R= −

1 1R L CC

C C

I V VR R

= − +

สมการของวงจรโหลด Load equation


192

สมการของวงจรและการแกสมการ

: C RKCL I I=

: CE LKVL V V=


193

สมการของวงจรและการเฉลยสมการ

R C F B CEOI I I Iβ= = +i

: CE LKVL V V=

CE L CC R CV V V I R= = −

: C RKCL I I=

= ( )CE L CC F B CEO CV V V I I Rβ= − + i


194

Input Circuit


195


• เขียนสมการลักษณะสมบัติของอุปกรณ (devices Characteristics)

• เขียนสมการของวงจร (circuit equations)

• แกสมการหาคาตัวแปรทีท่าํใหสมการทั้ง 2 ชุดเปนจริง


196

1 เขียนสมการลกัษณะสมบัติของอปุกรณ (devices Characteristics)


197

สมการดานเขาของ BJT จากแบบจําลองในยานไวงาน

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ −

: S BB S BKVL V V I R= −

1 1S S BB

B B

I V VR R

= − +

สมการของวงจรขายที่ใชไบแอส Bias equation


198

2 เขียนสมการของวงจร (circuit equations)


199

สมการของวงจร

: B SKCL I I=

: BE SKVL V V=


200

แกสมการหาคาตัวแปรทีท่าํใหสมการทั้ง 2 ชุดเปนจริง

ใชวธิีการทางกราฟ ใชวธิีการคํานวณซ้ํา


201

A ใชวิธีการทางกราฟ


202

เขียนกราฟลักษณะสมบัติของวงจรขายอุปกรณ

1

2

2

3

4

5

0

04 6 8 10 12

Vs

Vs/RB

BB = 10 V

B

กระแส(mA)

แรงดัน(V)

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ −

1 1S S BB

B B

I V VR R

= − +

จุดทํางาน

ICEO

ICO

Para


203


ICEO

ICO

Para


204

จุดทํางานสงบคือ จุดตัดระหวางกราฟลักษณะสมบัติดานเขาของเบส-อิมิตเตอร

กับ Bias line

ซึ่งเปนจุดที่ทําใหทั้ง KVL and KCL เปนจริง


205

B ใชวิธีการคาํนวณซ้ํา

Pass-Nov 05, 2008 Youthana Kulvitit. Dept of EE Chulalongkorn University

206

สมการดานเขาของ BJT จากแบบจําลองในยานไวงาน

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ −

: S BB S BKVL V V I R= −

1 1S S BB

B B

I V VR R

= − +

สมการของวงจรขายที่ใชไบแอส Bias equation


207

ขั้นตอนการคํานวณโดยวิธีการคํานวณซ้ํา

ICEO

ICO

Para


208

ผล

การ

คํา

นวณ

ลูเขา

สู

คํา

ตอบ

Q Q

4

0.2

8

12

16

00 0.4 0.6 0.80.69V

8.6 mA

2 2 5 mA (Bias line)S SI V= − + × ⇒

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ −

ICEO

ICO

Para


209

ผลการคํานวณโดยวิธีการคํานวณซ้ํา

0.000008.62855685.727685.7278.628558.628550.000008.62855685.727685.7278.628558.62855

0.00018.62855685.727685.7278.628548.62854-0.00818.62854685.731685.7318.629238.62923

0.6758.62923685.383685.3838.571368.57136-42.868.57136714.318714.31815.000015.0000

(%) of mAmAmVmAmA

IerrorISVSVBEIBIQ


210

ขั้นตอนการคํานวณโดยวิธีการคํานวณซ้ํา

ICEO

ICO

Para


211

ผล

การ

คํา

นวณ

ลู

ออก

Q Q

4

0.2

8

12

16

00 0.4 0.6 0.80.69 V

1 1 (Bias line)S S BBB B

I V VR R

= − + ⇒

( ) [ ( ) 1]F BEB ES

F T

VI I ExpV

αβ η

≅ −

BB

B

ICEO

ICO

Para


212

ผลการคํานวณโดยวิธีการคํานวณซ้ํา

-1E+44-7E+391.5E+371E+375E+035E+03-1E+025E+03-2E-05-2E-05-7E+39-7E+39-1E+44-7E+391.5E+371E+375E+035E+03-1E+025E+03-2E-05-2E-05-9E+03-9E+032E+02-9E+0327.678727.679745.99745.99

8.90745.998.508018.508685.00685.00

mAmVmAmAmVmVIerrorVSISIBVBEVQ


213

แบบจําลองของวงจรดานเขา ระดับ 3


214

แบบจําลองของวงจรดานเขา ระดับ 3


215

Schedule• Period 2; Page1 to 56• Period 3; Page57 to 104• Period 4; Page105 to 156• Period 5; Page157 to END• Period 5; Continue on another file

bjt

Documents

ee chulalongkorn

para ico iceoq

para ico iceo

rb vbei

rc vce

diode current

transistor

vt vtyouthana