ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
3. Bipolární tranzistory
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Bipolární tranzistorSoučástka se třemi elektrodami:
emitor, báze, kolektor
P
P
N
Emitor
Kolektor
Báze
E
K
B
Stuktura PNP
Schématická značka
Emitor
Kolektor
BázeP
N
NE
K
B
Stuktura NPN
Schématická značka
Funkce tranzistoru NPN
Emitor KolektorBáze
vyprázd. oblast
x
n, p
pE
nB
pC
pC0nBpBB IIII
nC0nCC III
D
B
L
lnEI
nCnBnEE IIII
D
B
L
l1InE
N++ P+ N
E
B
C
+ 0,7 V + 5 V
UBE UCB
IB
ICIE
InCInB
InE
IpBIpC0
InC0délka báze
difuzní délka
Funkce tranzistoru NPN
nC0pC0 II
pC0nBB III
D
B
L
lEnB
nCnBE
II
III
5 rovnic pro 6 neznámých:
IE, IB, IC, InB, InC, UBE
nC0nCC III
1
U
UexpII
T
BEnE0E
Lze tedy vyjádřit 1 neznámou pomocí ostatních.
Následující vztah tuto závislost popisuje:
nC0pC0BC III
1
I
D
B
D
B
Ll
Ll
nC0BC III 1ββ
Základní parametry tranzistoru• Vztah mezi IC a IB lze upravit takto:
IC = (UCE,T).IB + (+1).ICB0(UCB,T)
(Přitom závislost i ICB0 na napětí je jen velmi malá.)
• Veličina (~ 10 až 500) se nazývá:
proudový zesilovací činitel při společném emitoru. Současně platí:
• Veličina ICB0 (~ 0,1 – 100 A) se nazývá: zbytkový proud kolektoru.
• Zavádí se ještě proudový zesilovací činitel při společné bázi:
.konstUCE B
C
ΔIΔI
β
1.
konstU
I
ICB
E
C
Aplikace tranzistoru
• Zesilování signálu:– Zesilovače slabého signálu (lineární operace)– Výkonové zesilovače (částečně nelineární operace)– Oscilátory (podstatně nelineární operace)
• Spínání signálu (nelineární operace):– Spínače a vypínače velkých proudů – Generátory impulzů– Logické obvody
Model tranzistoru NPN(Ebers – Moll)
CEB
T
CB
NI
CB0
T
EB
NI
EB0NC
T
CB
NI
CB0I
T
EB
NI
EB0E
III
1U
Uexp
αα1
I1
U
Uexp
αα1
IαI
1U
Uexp
αα1
Iα1
U
Uexp
αα1
II
IICD NIED
IEDICD
UEB
UCB
E CIE
B IB
IC
Tranzistorové zesilovače• Typy zapojení zesilovače:
– Se společným emitorem (SE, CE, E)– Se společnou bází (SB, CB, B)– Se společným kolektorem (SK, CC, C)
UBE UCEIE
IC
SE
IB
UEB UCB
IE IC
SB
UBC
UEC
IE´
SK
IB
IC
Zesilovač se společným emitoremStatické vlastnosti
mV25,9e
kTU
α1
αβI1ββII
αα1
Iα
U
Uexp
αα1
Iα1I
TN
NCB0BC
NI
CB0I
T
BE
NI
EB0NB
,,
1
UBE
UCE
IE
IC
IB
Po úpravě rovnic Ebers-Mollova modelu dostaneme:
Zapojení:
je tzv. proudový zesilovací činitel v zapojení SE
Zesilovač se společným emitoremStatické charakteristiky
Kolektorové charakteristiky
UCE
ICIB = 0,5 mA
0,2 mA
0,3mA
0,4mA
0,1 mA
Mezní přímka
Převodní charakteristiky
IC
IB
IB
IC
= IC/ IB
Různé UCE
Zesilovač se společným emitoremStatické parametry
• Proudový zisk: IC/IB - = - N/(1-N) -100 až - 300
• Vstupní vodivost: IB/UBE gvst IB/UT 10-3 až 10-2 S
• Výstupní vodivost: IC/UCE gvýst IB. /UCE 10-5 S
• Výkonový zisk: G 2gvst/gvýst 106
Zesilovač se společným emitoremAplikace
Univerzální zesilovač:
• Zesilovač proudu: GI = |IC/IB | = 100
až 300
• Zesilovač napětí: GU = |UCE/UBE | .RC.gvst 103
• Invertor (měnič polarity napětí)
• Výkonový zesilovač
UBE
UCE
IE
IC
IB
UCC
RC
Zesilovač se společným emitoremAplikace
Nízkofrekvenční zesilovač:
(zesilovač střídavých napětí a proudů)
• RCB a RBE udržují konstantní napětí na bázi UB = UCC.RCB/(RCB+RBE)
• RE zajišťuje konstantní proud IE = = (UB-UBE)/RE
• CIN, COUT oddělují vstupní a výstupní obvody (CINh11 1/fmin, COUTRC 1/fmin)
• CE blokuje odpor RE pro zesilovaný signál (CERE 1/fmin)
UIN
UOUTIE
IC
IB
UCC
RC
COUT
CIN
RCB
CERE
UBE
RBE
Zesilovače nízkého výkonuPokud je rozkmit napětí a proudu malý, lze vztahy mezi
proudy IC, IE, IB a napětími UCE, UBE, UCB linearizovat:
CC0CBB0B
CECE
CE0BE0CBE
BE
CE0BE0CC0C
CECE
CE0BE0BBE
BE
CE0BE0BB0B
ΔIII,ΔIII
ΔUU
U,UIΔU
U
U,UIII
ΔUU
U,UIΔU
U
U,UIII
Nebo:
IB = y11 UBE + y12 UCE
IC = y21 UBE + y22 UCE
A pomocí admitanční matice Y:
I = Y. U, Y yik
I [IB, IC]T, U [UBE, UCE]T
Zesilovače nízkého výkonuJiné matice
Kromě admitanční matice se používají u tranzistorů také tzv. hybridní matice:
CE
CEBC22
B
CEBC21
CE
CEBBE12
B
CEBBE11
U
U,IIh,
I
U,IIh
U
U,IUh,
I
U,IUh
UB = h11 IB + h12 UCE
IC = h21 IB + h22 UCE
V maticové formě: Hybridní matice:
CE
B
2221
1211
C
BE
ΔU
ΔI
hh
hh
ΔI
ΔU
2221
1211
hh
hh
Zesilovače se společnou bází
Zapojení:
CB0ENC
NI
CB0I
T
EB
NI
EB0E
IIαI
αα1
Iα
U
Uexp
αα1
II
Úpravou Ebers- Mollova modelu dostaneme vztahy pro hledané veličiny:
UEB UCB
IEIC
Zesilovače se společnou bázíStatické charakteristiky
Proudový zisk: = IC/IE +1
Vstupní vodivost: gvst = IE/UEB IE/UT 10-2 až 10-1 S
Výstupní vodivost: gvýst = IC/UEB IEN/UEB 10-5 S
Výkonový zisk: G 2gvst/gvst 100 až 200
Aplikace
• Vstupní stupně vf zesilovačů
• Zesilovače s nízkou vstupní impedancí
Zesilovače se společným kolektorem
N
NCB0BE
EB0
ENITBCEC
α1
αβI1βIβI
I
Iαα1lnUUU
,1
Zapojení:
Vstupní veličiny: UBC, IB
Výstupní veličiny: UEC, IE
Často nahrazujeme veličinami:
UIN = UCC + UBC; IB
UZ = UCC + UEC; IE
Ebers – Moll po úpravě:
UCC
UBC
UEC
IE
IB
IC
RZUZ
UIN
Zesilovače se společným kolektoremParamettry a aplikace
• Koncové stupně zesilovačů
• Výstupní obvody pro napájení zátěží
• Oddělovací členy
Proudový zisk: IE´/IB C = + ( + 1) + 100
Vstupní vodivost: IB/UBC gvst 1/( + 1)RZ
Výstupní vodivost: IC/UCE gvýst IB. /UCE 10-5 S
Výkonový zisk: G (+1)2gvýst/gvst 100
Statické parametry:
Aplikace:
Porovnání statických parametrů zesilovačů
Parametr SB SE SC
vstup. impedance 10 - 100 100 - 1 000 ( + 1)RZ
výstup. impedance
1 000 k - 1 M 10 k - 100 k 100 - 1 k
proudové zesílení 0,95 - 0,99 20 - 200 +1 20 - 200
napěťové zesílení 10 - 100 10 - 300 0,9 - 0.99
výkonové zesílení 10 - 100 100 - 2 000 10 - 200
mezní kmitočet f vysoký f
nízký f
fáz.posun proudu 0 0 180
fáz.posun napětí 0 180 0
zbytkový proud ICB0 0,1 - 10 A 10 A - 1 mA 10 A - 1 mA
saturační napětí 0,1 V 0, 5 V 0,3 V
Dynamické vlastnosti tranzistorůPři rychlých změnách napětí a proudů
pozorujeme, že se změny kolektorového proudu iC zpožďují za změnami emitorového
proudu iE.
Příčiny zpoždění:
celk = e + b + d + c
nabití difúzní
kapacity emitoru
transport bází transport
vyprázd. oblastí
nabití kapacity kolektoru
Dynamické vlastnosti tranzistorů
celk
0
jω1
To způsobí změnu zejména v koeficientu :
kde 0 je nízkofrekvenční (statická) hodnota veličiny
Pro veličinu lze pak napsat vztah:
0
0
0
0
0
0
111
1
1
1
T
celk
celk
celk
ff
jjj
j
Dynamické vlastnosti tranzistorů
• fT = 1/(2celk) … je tzv. tranzitní kmitočet, daný celkovou dobou tranzitu nosičů přes tranzistor
• f = fT/0 … je tzv. mezní kmitočetproudového zisku
Na vysokých kmitočtech f >> f platí přibližně:
f
fj
jf
f
ff
j
T
00 nezávisí na 0 alepouze na poměru fT/f
Dynamické vlastnosti tranzistorů
log0|
f
log|
fTf
0
celkcelkT ff
02
1,
2
1
Kvalitní vf tranzistor má:
• Malý odpor báze (vysoká dotace, malé 0)
• Malou difúzní kapacitu CBE
(heteropřechody)
• Krátká doba průchodu bází (nehomogenní dotace báze)
Šumový model tranzistoruNa velmi nízkých úrovních signálu se uplatní také vlastní šum
tranzistorů.
r´bb
rbc
Cbc
rc
rbj
išbCbj
ro
re
Cce
ic
B
E
C
uše
ušbušc
išc
išb, išc výstřelový šum přechodů BE a CB
ušb, uše, ušc tepelný šum
odporů kontaktů
Výkonové aplikace tranzistorůzapojení SE
UBE
UCE
IE
IC
IB
UCC
RC
UCE = UCC – RCIC
UCE < UCmax, UCE.ICPmax
UCE
ICIB = 10 mA
4 mA
6 mA
8 mA
2 mA
UCC
U = UCmax
P = Pmax
Zatěžovací přímka
Výkonové aplikace tranzistorůTřída A
• Úhel otevření 360
• Kolektorový proudprotéká po celouperiodu
• Malé zkreslení
• Nízká účinnost
• Vhodné pro malé astřední výstupnívýkony
Třída A
IC
UBE
Převodní charakteristika
UB0
IC0
Pracovní bod
Výkonové aplikace tranzistorůTřída A
• Dobrá linearita
• Nízká účinnost celk = Pnf/Pcelk 25%:
0,25
2
ΔIU
ΔIU
8
1
IU
ΔIΔU81
P
Pη
CCC
CCC
C0CC
CCE
celk
11
• Pnf je výkon všech harmonických kromě ss složky
• P1 je výkon 1. harm. složky
• Vhodné pro zesilovače nižšího a středního výkonu
IC
UB
UB0
IC0 IC
UB
Vstupní signál
Výstupní signál
Převodní charakteristika
Výkonové aplikace tranzistorůTřída B
• Úhel otevření je jen 180
• Kolektorový proud protékájen v jedné poloviněperiody
• Tranzistor pracuje v nelineární oblasti
• Velké zkreslení
• Lepší účinnost
• Vhodné pro střední a vyššívýstupní výkony
Třída B
IC
UB
Převodní charakteristika
Pracovní bod
UCE
Výkonové aplikace tranzistorůTřída B
• Pracovní bod: IC0 = 0, UB0 0
• Bez vstupního signálu tranzistorem neteče proud
• Značná nelinearita
• Vyšší účinnost celk 70 %:
0,39
πΔI
U
ΔIU
8
1
IU
ΔIΔU81
P
Pη
CCC
CCC
C0CC
CCE
celk
11
• Vhodné pro zesilovače středního a velkého výkonu
• Nelinearitu je nutno kompenzovat (např. dvojčinným zapojením)
IC
UB0
IC
Výstupní signál
Převodní charakteristika
UB
Výkonové aplikace tranzistorůTřída B – kompenzace nelinearity
RE
RC1 RC2
Cin1
Cin2
Cout2
Cout1
Uout
Uin
T1 T2
UCC
UC1
UC2
+ UCC
UC1UC1 UC2 UC2
Uin
t
t
+ UCC
-UCC
Uout
t
DVOJČINNÉ ZAPOJENÍ
Výkonové aplikace tranzistorůTřída C
• Úhel otevření je menší,než 180
• Pracovní bod leží ještěpřed začátkemcharakteristiky
• Velké zkreslení – obvyklenutno kompenzovat
• Dobrá účinnost
• Vhodné pro vysokévýstupní výkony
Třída C
IC
UB
Převodní charakteristika
Pracovní bod
UCE
Výkonové aplikace tranzistorůTřída C
• Pracovní bod: IC0 = 0, UB0 0
• Při nízkých výkonech zesilovač nezesiluje
• Velmi silná nelinearita
• Vysoká účinnost celk 90 %:
0,5
T
τΔIU
T
τΔIU
2
1
IU
ΔIΔU4
1
P
Pη
CCC
CCC
C0CC
CCE
celk
11
• Vhodné pro vf zesilovače velkého ale definovaného výkonu
IC
UB0
IC
Výstupní signál
Převodní charakteristika
UB
Tranzistor jako spínač
zatěžovací přímka
UCE
IC
Usat
Izbyt
sepnutý stav
rozepnutý stav
Důležité parametry spínače:
• Saturační napětí Usat (< 1 V)
• Zbytkový proud IC0 (...A)
• Max. kolektorový proud ICmax
• Max. kolektorové napětí UCmax
Skutečné provedení tranzistorů
C E B
N
P
N++
Řez planárním tranzistorem
SiO2
200 m
Kovarová podložka
1 m
C
E B
N N++
B
Řez výkonovým tranzistorem
P E
B
C
E
B
Topologie planárního tranzistoru
Topologie výkonového tranzistoru
