Διπολικό ΤρανζίστορBipolar Junction Transistor (BJT)

Θέματα που θα καλυφθούν

•Δομή και συμβολισμός των διπολικών τρανζίστορ•Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ •Τα ρεύματα στο τρανζίστορ•Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)•Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές•Συνδεσμολογίες Τρανζίστορ•Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)• Φαινόμενο Early•Επίδραση της θερμοκρασίας•Μοντέλο μικρών σημάτων (εισαγωγή)

Επαφή PN (υπενθύμιση)

EgE=q(Vo-V)

E=q(Vo-V)

Στην ανάστροφη πόλωση το V

είναι αρνητικό

Στην ορθή πόλωση το V

είναι θετικό

(-)(+)

(+)

(-)

+++

+++

+++

- - -

- - -

- - -

+

+

+

-

-

-

Ανάστροφη πόλωση (VA<VK)Το δυναμικό της επαφής επιτρέπει την

κίνηση των φορέων μειονότητας, δηλ.

την επαφή την διαρρέει ρεύμα λόγω

των φορέων μειονότητας

(πολύ μικρό)

Ορθή πόλωση (VA>VK)Το δυναμικό της επαφής επιτρέπει την

κίνηση των φορέων πλειονότητας,

δηλ. την επαφή την διαρρέει ρεύμα

λόγω των φορέων πλειονότητας

(μεγάλο)

Τύπος Ημιαγωγού Φορείς Πλειονότητας Φορείς Μειονότητας Σχέση

n nn≈ND (donors) pn≈ni2/ND nn>>np

p pp≈NA (Acceptors) np≈ni2/Na pp>>pn

Δομή και συμβολισμός BJT

++ + ++ +

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ

•Το τρανζίστορ φαίνεται σαν 2 ανάποδα τοποθετημένες δίοδοι, με κοινή περιοχή p στο npn (n στο pnp)•Στην ορθή πόλωση την επαφή Βάσης-Εκπομπού (ΒΕ) την πολώνουμε ορθά καιτην επαφή Συλλέκτη Βάσης (CB) ανάστροφα.•Ένα τρανζίστορ δεν μπορεί να κατασκευαστεί από δύο ανεξάρτητες διόδους γιατί:

Η περιοχή της βάσης πρέπει να είναι πολύ στενήΓια την σωστή λειτουργία του πρέπει οι εμπλουτισμοί να είναι

n++ (E) – p (B) – n+ (C)

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ

Τι γίνεται όμως στην ορθά και ανάστροφα πολωμένη επαφή PN?

Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ •Η επαφή Βάσης-Εκπομπού είναι ορθά πολωμένη, οπότε: ηλεκτρόνια (φορείς πλειονότητας στον Εκπομπό) εκχέονται στην Βάση (φορείς μειονότητας στην Βάση) και οπές (φορείς πλειονότητας στην Βάση) εκχέονται στον εκπομπό (φορείς μειονότητας στον Εκπομπό).

•Τα ηλεκτρόνια που εκχέονται στην Βάση (φορείς μειονότητας εκεί) από τον Εκπομπό δεν προλαβαίνουν να επανασυνδεθούν στην περιοχή της Βάσης, λόγο:α) του χαμηλού εμπλουτισμού της και κυρίως β) λόγω του μικρού εύρους της

•Έχουμε δει ότι στην ανάστροφα πολωμένη δίοδο οι φορείς μειωνότητας σαρώνονται από την ανάστροφη τάση πόλωσης (ανάστροφο ρεύμα κορεσμού), ΣΥΝΕΠΩΣ θα σαρωθούν από το δυναμικό Συλλέκτη-Βάσης VCB.

•Οι οπές που εκχέονται από την βάση στον εκπομπό δεν συνεισφέρουν στην λειτουργία του τρανζίστορ αλλά είναι μικρό το ρεύμα τους λόγω του ότι nE++>>pB.

•Επίσης υπάρχει ένα μικρό ρεύμα λόγω της επανασύνδεσης κάποιων ηλεκτρονίων από τον Εκπομπό στην περιοχή της Βάσης.

Το IC είναι το ρεύμα των ηλεκτρονίων που εκχέονται από τον Eκπομπό και σαρώνονται

από τον Συλλέκτη και είναι ελάχιστα μικρότερο του ΙΕ, IC≈IE

Φυσική λειτουργία διπολικού τρανζίστορ

Το ρεύμα της ορθά πολωμένης επαφής ΒΕ, το οποίο κυρίως από ηλεκτρόνια (nE>>pB),

εκχέονται στην περιοχή της βάσης χωρίς να προλάβουν να επανασυνδεθούν (εύρος βάσης

μικρό & έχει μικρό εμπλουτισμό), και σαν φορείς μειονότητας στην βάση σαρώνονται

από το αναστροφο δυναμικό της επαφής CB.

Το IC είναι είναι ελάχιστα μικρότερο του ΙΕ, IC≈IE

(+)

(-)(+)

(-)

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Τα ρεύματα στο τρανζίστορΑπό:

Τα ρεύματα στο τρανζίστορ

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Γιατί το τρανζίστορ είναι ενισχυτική διάταξη?

Μικρές μεταβολές του ρεύματος εισόδου στην βάση του τρανζίστορ (τάση VBE),

προκαλούν μεγάλες μεταβολές στο ρεύμα του συλλέκτη

Μοντέλο μεγάλο σημάτων (Ebers-Moll)

Έστω β=150,

Για Vin=5V5V =IB*1KΩ+0.7V →IB=4.3mAIC=β*IB=645mA → Lamp ON

Για Vin=0VVBE<0.7V (σε αποκοπή)IC=0 → Lamp OFF

Παράδειγμα:

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

Προσεγγιστική λειτουργία του τρανζίστορ στο συνεχές

IE = IC + IB IC @ IE IB << IC

adc = IC

IEbdc =

IC

IB

npn

collector

emitter

base

IB

IE

IC

μικρό

ρεύμα

Μεγάλο ρεύμα

+

VBE

-

pnp

collector

emitter

base

IB

IE

IC

+

VBE

-μικρό

ρεύμα

Μεγάλο ρεύμα

VBE = 0.7V(npn)

VBE = -0.7V(pnp)

Συνδεσμολογίες Τρανζίστορ

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Ορίζονται τρείς περιοχές εξόδου: Η Περιοχή Κόρου για VCE<VCESAT, Η Περιοχή Αποκοπής (η VBE<0.7V) και η Ενεργός Περιοχή

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Χαρακτηριστικές καμπύλες σε συνδεσμολογία CE (περιοχές λειτουργίας του)

Φαινόμενο Early

Επίδραση της θερμοκρασίας

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

VCE

VCC

RC

RB

VBB

VBE

Η συνδεσμολογία κοινού εκπομπού έχει δύο βρόγχους:

Της βάσης και του συλλέκτη

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

Προσεγγίσεις κυκλωμάτων με Transistor

Πρώτη: χρησιμοποιήστε την ιδανική δίοδο για την επαφή base-emitter και χρησιμοποιήστε την

σχέση bIB για να προσδιορίσετε το IC.

Δεύτερη: χρησιμοποιήστε την προσέγγιση σταθερής πτώσης τάσης για το VBE και χρησιμοποιήστε την σχέση bIB για να

προσδιορίσετε το IC.

Τρίτη: Λύνονται οι εξισώσεις συνήθως με την χρήση υπολογιστή (simulation).

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

bdcIB VCEVBE = 0.7 V

Δεύτερη προσέγγιση:

B C

E

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

VCC

RC

RB

VBB

VBE = 0.7 V

IB =VBB - VBE

RB

IB =5 V - 0.7 V

100 kW

5 V

100 kW

= 43 mA

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

RC

RB

5 V

100 kW

IB = 43 mA

bdc = 100

IC = bdc IB

IC = 100 x 43 mA = 4.3 mA

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

VCC

RC

RB

VBB 5 V

100 kW

IB = 43 mA

IC = 4.3 mA

1 kW

12 V

VRC= IC x RC

VRC= 4.3 mA x 1 kW = 4.3 V

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

RB

VBB 5 V

100 kW

IB = 43 mA

IC = 4.3 mA

1 kW

12 V

VCE = VCC - VRC

VCE

VCE = 12 V - 4.3 V = 7.7 V

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

Υποθέτουμε ότι το transistor λειτουργεί στην ενεργό περιοχή

Γράφουμε την εξίσωση των τάσεων Kirchhoff για τον βρόγχο B-E

Γράφουμε την εξίσωση των τάσεων Kirchhoff για τον βρόγχο C-E

Η επαφή B-E λειτουργεί σαν δίοδος

VE = VB - VBE = 4V - 0.7V = 3.3V

IE

ICIE = (VE - 0)/RE = 3.3/3.3K = 1mA

IC IE = 1mA

VC = 10 - ICRC = 10 - 1(4.7) = 5.3V

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

Βρόγχος τάσης B-E

5 = IBRB + VBE, λύνουμε ως προς IB

IB = (5 - VBE)/RB = (5-.7)/100k = 0.043mA

IC = bIB = (100)0.043mA = 4.3mA

VC = 10 - ICRC = 10 - 4.3(2) = 1.4VIE

IC

IB

b = 100

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

VE = 0 - .7 = - 0.7V

IE

IC

IB

b = 50

IE = (VE - -10)/RE = (-.7 +10)/10K =

0.93mA

IC IE = 0.93mA

IB = IC/b m m

VC = 10 - ICRC = 10 - .93(5) = 5.35V

VCE = 5.35 - -0.7 = 6.05V

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

IB

IC

IE

Output

circuit

Input

circui

t

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

•Acts as a diode

•VBE 0.7V

IB IB

VBE

0.7V

Input characteristics

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

Output characteristics

IC

IC

VCE

IB = 10mA

IB = 20mA

IB = 30mA

IB = 40mA

Cutoff

region

•At a fixed IB, IC is not dependent on VCE

•Slope of output characteristics in linear region is near 0 (scale exaggerated)

Early voltage

Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού (CE)

Biasing a transistor

•We must operate the transistor in the linear region.

•A transistor’s operating point (Q-point) is defined by

IC, VCE, and IB.

Πόλωση Τρανζίστορ

Πόλωση Τρανζίστορ

Πόλωση ΤρανζίστορΕυθεία φόρτου-Load line

Output circuit

C-E voltage loop

VCC = ICRC +VCE

IC = (VCC - VCE)/RC

Input circuit

B-E voltage loop

VBB = IBRB +VBE

IB = (VBB - VBE)/RB

Πόλωση ΤρανζίστορΕυθεία φόρτου-Load line

VBB/RB

IB = (VBB - VBE)/RB

If VBE = 0, IB = VBB/RB

If IB = 0, VBE = VBB

Πόλωση ΤρανζίστορΕυθεία φόρτου-Load line

IC = (VCC - VCE)/RC

If VCE = 0, IC = VCC/RC

If IC = 0, VCE = VCC

VCC/RC

Πόλωση ΤρανζίστορΕυθεία φόρτου-Load line

Πόλωση ΤρανζίστορΕυθεία φόρτου-Load line

•Load-line A results in bias point QA which is too close to VCC and thus limits the

positive swing of VCE.

•Load-line B results in an operating point too close to the saturation region, thus

limiting the negative swing of VCE.

Πόλωση Τρανζίστορ(πόλωση βάσης)

IB ανεξάρτητο το ΙC, εάν μεταβληθεί το ΙC=βΙΒ +(1+β)ICBO,

χαλάει ή πόλωση

(το ICBO διπλασιάζεται ανά 10οC)

Πόλωση Τρανζίστορ(πόλωση βάσης με ανάδραση από τον συλλέκτη)

Εάν αυξηθεί το ΙC (ΙC=βΙΒ +(1+β)ICBO) >> μειώνεται το VC

>> Μειώνεται το IB >> αντιστρέφεται η αύξηση του ΙC

Πόλωση Τρανζίστορ(πόλωση βάσης με διαιρέτη τάσης και ανάδραση από

εκπομπό)

Εάν αυξηθεί το ΙC (ΙC=βΙΒ +(1+β)ICBO) >> αυξάνεται το ΙΕ >> αυξάνεται η VE

>> μειώνεται το VBE >> Μειώνεται το IB >> αντιστρέφεται η αύξηση του ΙC(και το αντίστροφο)

Πόλωση Τρανζίστορ

Εάν αυξηθεί το ΙC (ΙC=βΙΒ +(1+β)ICBO) >> αυξάνεται το ΙΕ >> αυξάνεται η VE

>> μειώνεται το VBE >> Μειώνεται το IB >> αντιστρέφεται η αύξηση του ΙC(και το αντίστροφο)

Πλεονέκτημα: VB = 0

+VCC

R1

R2

+VBB

Ανάλυση διαιρέτη

τάσης:

VBB =R2

R1 + R2

VCC

ΥΠΟΘΕΣΗ: Το ρεύμα της βάσης

είναι συνήθως πολύ μικρότερο από

το ρεύμα του διαιρέτη.

+VCC

RC

RE

R1

R2

ΙσοδύναμοThevenin

RTH = R1 R2

+VCC

RC

RE

VTH=VCCR2/(R1+R2)

RTH

Το μοντέλο Thevenin για το

κύκλωμα πόλωσης:

RTH = R1║R2

+VCC

RC

RE

R1

R2

Πολλές φορές

διαλέγουμε

R1║R2 < 0.1 bdcRE

Υπολογισμός:

IE =VBB - VBE

RE + bdc

R1║R2

Με την παραπάνω επιλογή

RE ο παρονομαστής είναι

σχεδόν ίσος με RE!!!

ΑΝΕΞΑΡΤΗΣΙΑ ΑΠΌ ΤΟ β

Πόλωση Τρανζίστορ

+VCC

RCRB

Πόλωση βάσης:

•Η χειρότερη όπως είπαμε!!!

•Το Q μετακινείται με

αντικατάσταση τρανζίστορ

και την θερμοκρασία!!

+VCC

RC

RE

RB

Πόλωση με ανάδραση

από τον εκπομπό

(Emitter-feedback bias):

Το ρεύμα του συλλέκτη

(έξοδος) προκαλεί

μεταβολή στο ρεύμα της

βάσης (είσοδος) μέσω της RE

•Καλύτερη από την πόλωση

βάσης χωρίς RE

•Το Q μετακινείται

•Δεν μπορούμε να βάλουμε RE>>RB/β

VCC=IBRB+0.7V+IERE

•Σπάνια χρήση

+VCC

RCRB

΄Πόλωση ανάδρασης

Συλλέκτη

Collector-feedback bias:

Προσεγγιστικά η RC

διαρρέεται από το IC

VCC=ICRC+IBRB+0.7V=

ICRC+(IC/β)RB+0.7V

IC=(VCC-0.7V)/(RC+RB/β)

•Καλύτερη από την πόλωση emitter-feedback

•Το Q κινείται

•Περιορισμένη εφαρμογή

+VCC

RCRB

RE

Πόλωση με ανάδραση από τον εκπομπό

και συλλέκτη

Collector- and emitter

-feedback bias:

•Καλύτερη από την

πόλωση ανάδρασης συλλέκτη

•Αλλά χειρότερη από την πόλωση

βάσης με διαιρέτη τάσης!!!

•Περιορισμένη εφαρμογή

Πόλωση εκπομπού με

δύο τροφοδοτικά

•Πολλή σταθερή πόλωση

•Χρειάζονται όμως δύο

Τροφοδοτικά!!!!

+VCC

RC

RE

R1

R2

Συνοψίζοντας

Voltage divider bias:

με RE

•Πολύ σταθερό Q Διαλέγουμε

την κατάλληλη RE>>(RTH/β)

•Χρησιμοποιεί 1 τροφοδοτικό

•Η δημοφιλέστερη!!!

Για το κύκλωμα πόλωσης του διπλανού σχήματος δίνονται R1=10KΩ, R2=2.0KΩ, VCC=12V, ενώ η παράμετρος β του τρανζίστορ είναι ίση με 200. Να υπολογιστούν οι αντιστάσεις RC και RE, ώστε το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ να είναι VCE =6V, IC = 2.0mA. (3.0 μονάδες)

Για το κύκλωμα πόλωσης του

διπλανού σχήματος δίνονται Rc=1KΩ,

RB=200KΩ, VCC=13V, ενώ η

παράμετρος β του τρανζίστορ είναι ίση

με 200. Να υπολογιστεί το σημείο

λειτουργίας του τρανζίστορ VCE , IC.

(2.5 μονάδες)

Για το κύκλωμα πόλωσης του διπλανού σχήματος δίνονται R1=30KΩ, R2=10KΩ, RE

=500Ω, VCC=20V, ενώ η παράμετρος β του τρανζίστορ είναι ίση με 100. Να υπολογιστεί η τιμή της αντίστασης RC ώστε το τρανζίστορ να πολωθεί με τάση VCE=6V. (2.5 μονάδες)