Ηλεκτρονική Διπολικά Τρανζίστορ Ένωσης (ΙΙ) Bipolar Junction Transistors (BJTs) (ΙΙ) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων

Δομή παρουσίασης Ανάλυση κυκλωμάτων με τρανζίστορ σε dc λειτουργία (συνέχεια) Το τρανζίστορ σαν ενισχυτής Κυκλώματα πόλωσης του τρανζίστορ Το τρανζίστορ σαν διακόπτης Περιοχή Αποκοπής Περιοχή Κόρου

Παράδειγμα Να αναλύσετε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρείτε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. sedr42021_0535a.jpg

Λύση παραδείγματος sedr42021_0535a.jpg Ανάλυση του κυκλώματος του παραδείγματος. Οι αριθμοί στους κύκλους καθορίζουν τη σειρά των βημάτων κατά την ανάλυση.

Παράδειγμα sedr42021_0537a.jpg Να αναλύσετε το κύκλωμα του (a) για να βρείτε τις τάσεις σε όλους του κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους

Παράδειγμα Να αναλύσετε το κύκλωμα του (α) για να βρείτε τις τάσεις όλων των κόμβων και τα ρεύματα όλων των κλάδων. β=100 sedr42021_0538a.jpg

Παράδειγμα Να αναλύσετε το κύκλωμα του σχήματος για να βρείτε τις τάσεις όλων των κόμβων και τα ρεύματα όλων των κλάδων. β=100 sedr42021_0540a.jpg

Λύση παραδείγματος (1/3) sedr42021_0540a.jpg

Λύση παραδείγματος (2/3) VBB = IB RBΒ + VBE + IE RE όμως IB = IΕ / β+1 άρα IΕ = (VBB - VBE )/ RE + [RBΒ /(β+1)] = =1.29mA οπότε VΕ = 3.87V και ΙΒ = 1.29/101=0.0128mA sedr42021_0540a.jpg

Λύση παραδείγματος (3/3) sedr42021_0540a.jpg

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής sedr42021_0548a.jpg Σχήμα 4.23 (a) Ιδεατό κύκλωμα που δείχνει τη λειτουργία του τρανζίστορ σαν ενισχυτή. (b) Το κύκλωμα του σχήματος (a) χωρίς την πηγή του σήματος υbe για τη ανάλυση dc (πόλωση).

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής Συνθήκες dc λειτουργίας Προσοχή στους συμβολισμούς (κεφαλαία-μικρά σύμβολα και δείκτες)

iC = ISeυBE/VT = IseVBE/VTeυbe/VT Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής Ρεύμα συλλέκτη και διαγωγιμότητα υBE=VBE+υbe iC = ISeυBE/VT = IseVBE/VTeυbe/VT ≈ IC(1+υbe/VT) για υbe << VT = ΙC + (IC/VT)υbe = IC + gmυbe (ic= gmυbe) Προσοχή στους συμβολισμούς (κεφαλαία-μικρά σύμβολα και δείκτες)

Το τρανζίστορ ως Ενισχυτής sedr42021_0549.jpg Σχήμα 4.24 Γραμμική λειτουργία του τρανζίστορ σε συνθήκες ασθενούς σήματος: ένα μικρό σήμα υbe τριγωνικής κυματομορφής υπερτίθεται στην dc τάση VBE. Το σήμα αυτό προκαλεί ρεύμα συλλέκτη ic επίσης τριγωνικής κυματομορφής, το οποίο υπερτίθεται στο dc ρεύμα IC.

Κυκλωματικά μοντέλα ασθενούς σήματος Σχήμα 4.25 Το κύκλωμα του ενισχυτή του σχήματος 4.23(a) χωρίς τις dc πηγές (VBE και VCC). Έτσι παρουσιάζονται μόνο οι συνιστώσες του σήματος. Το κύκλωμα αυτό δεν είναι πραγματικό κύκλωμα ενισχυτή, απλώς παριστάνει την λειτουργία σήματος του τρανζίστορ. sedr42021_0550.jpg

Το μοντέλο υβριδικού π Σχήμα 4.26 Δύο διαφορετικές εκδοχές του απλοποιημένου υβριδικού-π μοντέλου για τη λειτουργία ασθενούς σήματος του διπολικού τρανζίστορ. Το ισοδύναμο κύκλωμα στο (a) παριστάνει το τρανζίστορ σαν εξαρτημένη πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση (ενισχυτής διαγωγιμότητας), και στο (b) το τρανζίστορ παριστάνεται σαν εξαρτημένη πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από ρεύμα (ενισχυτής ρεύματος). sedr42021_0551a.jpg

Το μοντέλο Τ Σχήμα 4.27 Δύο διαφορετικές εκδοχές του μοντέλου Τ του BJT. Το ρεύμα στο (a) είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση και αυτό στο (b) είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από ρεύμα. Τα μοντέλα αυτά δείχνουν την αντίσταση εκπομπού re σε αντίθεση με τα υβριδικά-π μοντέλα που δείχνουν την rπ. sedr42021_0552a.jpg

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε τον ενισχυτή με τρανζίστορ του σχήματος για να βρούμε το κέρδος τάσης. Υποθέτουμε β=100. sedr42021_0553a.jpg

Λύση παραδείγματος sedr42021_0553a.jpg

Γραφική Ανάλυση sedr42021_0527.jpg Σχήμα 4.34 Κύκλωμα του οποίου η λειτουργία αναλύεται γραφικά

Γραφική Ανάλυση sedr42021_0528.jpg Σχήμα 4.35 Γραφική διερεύνηση του dc ρεύματος βάσης του κυκλώματος του σχήματος 4.34

Γραφική Ανάλυση sedr42021_0529.jpg Σχήμα 4.36 Γραφική διερεύνηση του dc ρεύματος συλλέκτη IC και της τάσης VCE του κυκλώματος του σχήματος 4.34.

Γραφική Ανάλυση sedr42021_0530a.jpg Σχήμα 4.37 Γραφική διερεύνηση των vbe, ib, ic, και vce όταν η συνιστώσα σήματος vi υπερτίθεται στην dc τάση VBB (σχ. 4.34).

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ Σχήμα 4.38 Πόλωση των διπολικών τρανζίστορ με απλό τροφοδοτικό. (a) Κύκλωμα δημιουργίας VBE, (b) ο διαιρέτης τάσης έχει αντικατασταθεί από το ισοδύναμο Thevenin. Και στα δύο δημιουργούνται μεγάλες μεταβολές στο IC άρα και στην VCE γι’ αυτό δεν προτείνονται. sedr42021_0544a.jpg

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ sedr42021_0545.jpg Σχήμα 4.39 Πόλωση του BJT τρανζίστορ με χρήση δύο τροφοδοτικών. Η αντίσταση RB χρειάζεται μόνο αν το σήμα πρόκειται να συνδεθεί στην βάση. Αλλιώς η βάση μπορεί να συνδεθεί απ’ ευθείας στην γή.

Πόλωση του Διπολικού Τρανζίστορ sedr42021_0546a.jpg Σχήμα 4.40 (a) Απλή εναλλακτική συνδεσμολογία κυκλώματος πόλωσης κατάλληλη για ενισχυτές κοινού εκπομπού με χρήση αντίστασης ανάδρασης RB. (b) Ανάλυση του κυκλώματος του σχήματος (a).

Πόλωση με χρήση πηγής ρεύματος sedr42021_0547a.jpg Σχήμα 4.41 (a) Ένα τρανζίστορ πολωμένο από σταθερή πηγή ρεύματος. (b) Κύκλωμα για την υλοποίηση της πηγής ρεύματος I.

Το τρανζίστορ ως διακόπτης - Περιοχή Κόρου – Περιοχή Αποκοπής Αν η υ1 είναι μικρότερη από περίπου 0.5 V, από την ένωση εκπομπού βάσης θα περνά αμελητέο ρεύμα. Στην πράξη, η ένωση αυτή θα πρέπει να θεωρηθεί ανάστροφα πολωμένη και το τρανζίστορ θα βρίσκεται στην περιοχή αποκοπής. Ισχύει: iB = 0, iE = 0, iC = 0, υC = VCC sedr42021_0532.jpg Σχήμα 4.48 Απλό κύκλωμα που δείχνει τις διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ.

Το τρανζίστορ ως διακόπτης - Περιοχή Κόρου – Περιοχή Αποκοπής Στον κόρο η τάση της βάσης είναι μεγαλύτερη από την τάση συλλέκτη κατά περίπου 0.4 V ή 0.5 V. Έτσι η τάση στο συλλέκτη είναι μεγαλύτερη από την τάση στον εκπομπό κατά 0.3 V ή 0.2 V. Η ποσότητα αυτή ονομάζεται VCEsat. Η τιμή του ρεύματος του συλλέκτη στον κόρο δίνεται από την: ICsat = (VCC – VCEsat) / RC sedr42021_0532.jpg Για να εξασφαλίσουμε ότι το τρανζίστορ θα βρεθεί στην περιοχή κόρου αρκεί να επιβάλουμε ρεύμα βάσης τουλάχιστον ίσο με: IBsat = ICsat /β

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. Υποθέτουμε β >= 50. sedr42021_0535a.jpg

Παράδειγμα To τρανζίστορ του σχήματος έχει β μεταξύ 50 και 150. Βρείτε την τιμή της RB που φέρνει το τρανζίστορ στο κόρο με συντελεστή overdrive τουλάχιστον 10 VC – VCEsat = 0.3V IC = (+10 – 0.3) /1k = 9.7mA IBsat = ICsat / βmin = 0.194mA IB = 10 x 0.194mA = 1.94mA RB = 5 - 0.7/1.94m = 2.2kΩ sedr42021_0533.jpg

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. sedr42021_0536a.jpg

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. Υποθέστε ότι β = 100. sedr42021_0538a.jpg

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. Η ελάχιστη τιμή του β είναι 30. sedr42021_0539a.jpg

Λύση Παραδείγματος Κόρος η ενεργός περιοχή; Θεωρώντας 0V στην βάση, 0.7V και στον εκπομπό το ΙE = 4.3mA. Όμως το ΙC δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από 0.5mA για να είναι στην ενεργό περιοχή και άρα το τρανζίστορ είναι στον κόρο Στον κόρο ισχύουν τα βήματα του σχήματος ενώ επιπλέον IE = IB + IC Οπότε: VE=3.83V, VC=3.53V, IE=1.17mA, IC=0.853mA, IB=0.313mA, βforced=2.7 sedr42021_0539a.jpg

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. sedr42021_0541a.jpg

Λύση Παραδείγματος (1/2) Το αριστερό μέρος του κυκλώματος είναι ίδιο με αυτό του παραδείγματος της διαφάνειας 8. sedr42021_0542a.jpg

Λύση Παραδείγματος (2/2) VE2 = VC1+VEB|Q2 = 8.6 + 0.7 = 9.3V IE2 = +15 – 9.3 /2k = 2.85m IC2 = αIE2 = 0.99 x 2.85 = 2.82m VC2 = IC2RC2 = 2.82 x 2.7 = 7.62V Άρα IΒ2 = IE2 /β+1 = 0.028m sedr42021_0542a.jpg Η ανάλυση πρέπει να επαναληφθεί λαμβάνοντας υπόψη αυτή την τιμή

Παράδειγμα Θέλουμε να αναλύσουμε το κύκλωμα του σχήματος (a) για να βρούμε τις τάσεις σε όλους τους κόμβους και τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους. Υποθέστε ότι β=100 sedr42021_0542a.jpg

Λύση Παραδείγματος Δεν είναι δυνατόν να άγουν και τα δύο τρανζίστορ Μπορεί να άγει το Q2; ΌΧΙ, γιατί θα έπρεπε η βάση του Q2 να βρίσκεται σε αρνητικό δυναμικό και το ρεύμα να ρέει προς την θετική τάση των +5V Άρα άγει το Q1 και μάλιστα βρίσκεται στην ενεργό περιοχή sedr42021_0542a.jpg

Ερωτήσεις/Απορίες ? sedr42021_p02119.jpg