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